CN109412408B - 一种电荷泵电路及其负载驱动方法 - Google Patents

一种电荷泵电路及其负载驱动方法 Download PDF

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Abstract

一种电荷泵电路及其负载驱动方法，控制电路根据电荷泵输出端的负载大小调整时钟驱动电路的通断，从而控制对应的第一子泵电路和第二子泵电路的通断。在驱动极小负载模式下，关闭全部的第二子泵电路，开启部分第一子泵电路；在驱动中等负载或小负载模式下，开启少数的第一子泵电路和第二子泵电路，或仅开启少数的第一子泵电路，或仅开启少数的第二子泵电路；在驱动大负载模式下，先开启部分的第一子泵电路和一部分或全部的第二子泵电路，电荷泵的输出稳定后，关闭全部的第二子泵电路，只维持部分第一子泵电路工作。本发明根据负载的大小动态调节电荷泵的驱动能力，实现合适的启动时间，减小电荷泵稳定后的电压纹波，避免了不必要的资源浪费。

Description

一种电荷泵电路及其负载驱动方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种电荷泵电路及其负载驱动方法。
背景技术
在存储器领域中，通常要求芯片具有很多种模式以实现不同的功能，譬如：读、写等，而工作在不同模式下，电源系统需要驱动的负载大小也不一样(其负载等效电容从几pF到几十nF)，为了保证芯片在各种模式下的存储数据不出现异常，需要选择合适的电荷泵输出电压的启动时间和驱动能力，启动太快会出现过冲和芯片功能异常，驱动太强又会增加面积浪费资源，同时又要求电荷泵输出稳定后，输出电压越稳定越好(纹波越小越好)。而在负载为几十nF时，会要求电荷泵具备较强的驱动能力(输出电流的大小是表征驱动能力的指标)，但是在负载为几pF时，电荷泵输出电压的纹波就会变大并且电荷泵启动太快，虽然可以通过增加电容来缓解小负载时的启动时间和电压纹波，但是面积牺牲巨大。
发明内容
本发明提供一种电荷泵电路及其负载驱动方法，根据负载的大小动态调节电荷泵的驱动能力，实现合适的启动时间，减小电荷泵稳定后的电压纹波，避免了不必要的资源浪费。
为了达到上述目的，本发明提供一种电荷泵电路，包含：
至少两个第一子泵电路；
至少两个第二子泵电路，每一个第二子泵电路的输出电流大于所有第一子泵电路的输出电流之和；
多个时钟驱动电路，每个时钟驱动电路分别为第一子泵电路和第二子泵电路提供驱动信号，控制第一子泵电路和第二子泵电路的通断；
控制电路，其根据电荷泵输出端的负载大小调整时钟驱动电路的通断，从而控制对应的第一子泵电路和第二子泵电路的通断。
所述的第一子泵电路的输出电压直接连接到电荷泵输出端Vout，所述的第二子泵电路的输出电压通过隔离管M连接到电荷泵输出端Vout。
所述的控制电路包含：
时钟产生电路，其连接每个时钟驱动电路的输入端，为时钟驱动电路提供时钟信号clk_net；
数字电路，其连接每个时钟驱动电路的输入端，为时钟驱动电路提供第一开关控制信号en，数字电路还连接比较器和电平转换电路，为比较器和电平转换电路提供控制信号Vctrl，用于控制比较器的偏置电流，并通过电平转换电路控制隔离管M的通断；
电压采样电路，其连接在电荷泵输出端Vout和外界提供的偏置电压vref之间，其分压输出端输出电压采样信号Vfb给比较器的输入端；
电平转换电路，其连接数字电路和隔离管M，电平转换电路的输入端连接数字电路的控制信号Vctrl，电平转换电路用于根据控制信号Vctrl控制隔离管M的通断；
比较器，其控制端连接数字电路的控制信号Vctrl，其电源输入端连接偏置电流电路，其模拟输出端输出低压电源信号fb_out给每个时钟驱动电路，其正极输入端连接外界提供的偏置电压vref，其负极输入端连接电压采样电路输出的电压采样信号Vfb，其逻辑输出端输出第二开关控制信号comp_out给每个时钟驱动电路的输入端。
本发明还提供一种电荷泵电路的负载驱动方法，包含以下步骤：
在驱动小于100pF负载模式下，关闭全部的第二子泵电路，开启至少一个第一子泵电路；
在驱动大于等于100pF且小于100nF负载模式下，开启至少一个第一子泵电路和至少一个第二子泵电路，或仅开启至少一个第一子泵电路，或仅开启至少一个第二子泵电路；
在驱动大于等于100nF负载模式下，先开启至少一个第一子泵电路和大于半数的第二子泵电路，直至电荷泵的输出稳定后，关闭全部的第二子泵电路，只维持至少一个第一子泵电路工作。
通过控制时钟驱动电路的通断来控制对应的第一子泵电路或第二子泵电路的通断；数字电路提供的第一开关控制信号en和比较器提供的第二开关控制信号comp_out共同控制时钟驱动电路的通断，Y＝en·comp_out，其中Y是时钟驱动电路的状态，Y为高电平时，时钟驱动电路开启，Y为低电平时，时钟驱动电路关闭，第一开关控制信号en和第二开关控制信号comp_out是逻辑与的关系。
通过控制隔离管M的通断来控制第二子泵电路的输出，当隔离管M导通，第二子泵电路输出电压给负载，当隔离管M断开，第二子泵电路停止输出电压给负载。
外界提供的偏置电压vref<电压采样信号Vfb时，比较器输出的第二开关控制信号comp_out为高电平，外界提供的偏置电压vref>电压采样信号Vfb时，比较器输出的第二开关控制信号comp_out为低电平。
当数字电路提供的控制信号Vctrl为高电平时，偏置电流电路增大提供给比较器的电流，外界提供的偏置电压vref<电压采样信号Vfb时，比较器输出的低压电源信号fb_out电位降低，外界提供的偏置电压vref>电压采样信号Vfb时，比较器输出的低压电源信号fb_out电位增大；
当数字电路提供的控制信号Vctrl为低电平时，偏置电流电路减小提供给比较器的电流，比较器输出的低压电源信号fb_out为0V。
本发明根据负载的大小动态调节电荷泵的驱动能力，实现合适的启动时间，减小电荷泵稳定后的电压纹波，避免了不必要的资源浪费。
附图说明
图1是本发明提供的一种电荷泵电路的电路图。
具体实施方式
以下根据图1具体说明本发明的较佳实施例。
如图1所示，本发明提供一种电荷泵电路，包含：
至少两个第一子泵电路5，第一子泵电路5的输出电压直接连接到电荷泵输出端Vout；
至少两个第二子泵电路6，第二子泵电路6的输出电压通过隔离管M连接到电荷泵输出端Vout，每一个第二子泵电路6的输出电流都大于所有第一子泵电路5的输出电流之和；
多个时钟驱动电路2，每个时钟驱动电路2分别为第一子泵电路和第二子泵电路提供驱动信号Clk_A和Clk_B，控制第一子泵电路5和第二子泵电路6的通断；
时钟产生电路1，其连接每个时钟驱动电路2的输入端，为时钟驱动电路2提供时钟信号clk_net；
数字电路3，其连接每个时钟驱动电路2的输入端，为时钟驱动电路提供开关控制信号en，数字电路3还连接比较器4和电平转换电路8，为比较器4和电平转换电路8提供控制信号Vctrl，用于控制通过电平转换电路8控制隔离管M的通断；
电压采样电路7，其连接在电荷泵输出端Vout和外界提供的偏置电压vref之间，其分压输出端输出电压采样信号Vfb给比较器4的输入端，vfb电位为电荷泵输出电压Vout与偏置电压vref的差值的电阻分压：vfb＝k×(Vout-vref)，其中，k为电压采样电路中的电阻分压比；
电平转换电路8，其连接数字电路3和隔离管M，电平转换电路8的输入端连接数字电路3的控制信号Vctrl，电平转换电路8输出通断信号lesh给隔离管M的控制端，用于控制隔离管M的通断；
比较器4，其控制端连接数字电路3的控制信号Vctrl，其正极输入端连接外界提供的偏置电压vref，其负极输入端连接电压采样电路7输出的电压采样信号Vfb，其模拟输出端输出低压电源信号fb_out给每个时钟驱动电路2的最后一级驱动电路，其逻辑输出端输出控制逻辑信号comp_out给每个时钟驱动电路2的输入端。比较器4的偏置电流通过数字电路3输出的控制信号Vctrl进行控制，Vctrl为高电平时，电流偏置电路9提供的偏置电流被调小，Vctrl为低电平时，电流偏置电路9提供的偏置电流被调大，通过调节偏置电流，调节比较器的响应快慢。同时，在控制信号Vctrl为低电平时，fb_out为0V，在控制信号Vctrl为高电平时，fb_out的电位是由vref和vfb决定，vref大于vfb时fb_out电位增大，调小子泵电路的驱动能力，反之调大子泵电路的驱动能力。
在本发明的一个较佳实施例中，第一子泵电路I的数量设置为n个(n为自然数)，第二子泵电路II的数量设置为t个(t为自然数)，第一子泵电路I和第二子泵电路II的输入电源为地。每一个子泵电路都连接一个时钟驱动电路，时钟驱动电路的数量为n+t，所有第一子泵电路I的输出电压直接连接到电荷泵输出端Vout，所有第二子泵电路II的输出电压voutb1通过隔离管M连接到电荷泵输出端Vout，电荷泵输出端Vout连接负载电容C_load。
时钟驱动电路包含多级驱动电路，时钟驱动电路的数量设置为m个(m＝n+t)，驱动第一子泵电路I和驱动第二子泵电路II的时钟驱动电路的电路结构是一样的。时钟驱动电路的最后一级驱动电路的高压电源是VDDclk(由外界低压差线性稳压器LDO提供)，低压源是比较器OPC输出的低压电源fb_out，时钟驱动电路其他级电路的高压电源是VDD(外界电源直接提供的)，低压电源为地。时钟产生电路提供的时钟信号clk_net经过时钟驱动电路的多级驱动后，输出驱动信号给子泵电路，第一子泵电路I的输入驱动信号为Clk_A<i>(i＝1,2……n)，第二子泵电路II的输入驱动信号为Clk_B<i>(i＝1,2……t)。
时钟驱动电路的输入信号包含：时钟产生电路输出的时钟信号clk_net、比较器OPC的输出fb_out(模拟量输出，vref<vfb时，fb_out电位会降低；vref>vfb时，fb_out电位会增加来调节CLK_A<i>\B<i>的幅度)和comp_out(比较器逻辑输出，vref<vfb时，comp_out为高电平，vref>vfb时，comp_out为低电平)以及数字电路输出的en信号。Clk_net为时钟信号；fb_out为时钟驱动电路最后一级的低压电源信号，通过电平采样电路输出的vfb的变化(跟随电荷泵输出Vout)来调节电荷泵输入时钟的幅度，从而调节电荷泵的驱动能力；comp_out是由比较器OPC输出的逻辑信号，comp_out的高低变化是由vfb和Vref比较的结果不同而变化的；en<i>(i＝1,2……m)与comp_out一起控制时钟驱动电路的通断，时钟驱动电路的通断状态与信号en和信号comp_out是逻辑与的关系，即，Y＝comp_out·en<i>；Y是时钟驱动电路的状态，Y＝1时，时钟驱动电路开启，Y＝0时，时钟驱动电路关闭。在comp_out为高电平，en<i>为高电平时，时钟驱动电路工作；在comp_out为高电平，en<i>为低电平时，时钟驱动电路关闭，在comp_out为低电平，en<i>为高电平时，时钟驱动电路关闭，在comp_out为低电平，en<i>为低电平时，时钟驱动电路关闭。
数字电路根据外界提供的控制信号ctrl(可以是1bit/nbit，本例中为2bit),生成信号Vctrl(与pump_tsw没有关系)，同时，控制信号ctrl与根据外界提供的控制信号pump_tsw一起生成信号en(多bit)。信号Vctrl控制偏置电流电路9，Vctrl控制电流支路的控制开关(MOS管开关)，Vctrl为高时，偏置电流电路9给比较器OPC提供的电流增大，OPC的响应快，Vctrl为低时，偏置电流电路9提供给比较器OPC的偏置电流减小，比较器响应慢。信号Vctrl通过控制电平转换电路输出信号lesh，从而实现隔离管M的通断。
电平转换电路的为常见的电路结构，电平转换电路连接在Vref和Vout(电荷泵的输出端)之间，电平转换电路的低压源是电荷泵的输出Vout，高压源为外界电源提供的大于0V的电压VDDR。除了电平转换电路和时钟驱动电路的最后一级之外，其它电路模块的高压电源全是VDD，低压源是地。
比较器OPC的“+”输入端连接偏置电压(外界电路提供)，“-”输入端连接电压采样电路的分压输出端Vfb。
本发明还提供一种电荷泵电路的负载驱动方法，包含以下步骤：
在驱动极小负载(小于100pF)模式下，关闭全部的第二子泵电路，开启(至少一个)第一子泵电路，适当降低电荷的驱动能力，避免驱动太强启动太快，输出电压纹波小；
在驱动中等负载(几nF)或小负载(几百pF)模式下，根据启动时间以及子泵电路的驱动能力选择以下三种驱动方式：
1、子泵电路驱动能力很弱时(即启动时间远大于实际需要时)，仅开启至少一个第二子泵电路，避免启动过快，减小输出电压纹波；
2、子泵电路驱动能力较弱时(即启动时间是实际需要的几倍)，开启至少一个第一子泵电路和至少一个第二子泵电路；
3、子泵电路驱动能力较强时(即启动时间接近实际需要)，仅开启至少一个第一子泵电路；在驱动大负载模式(几十nF以上)下，先开启至少一个第一子泵电路和大于半数的第二子泵电路，减小启动时间，达到快速启动的目的，电荷泵的输出稳定后，关闭全部的第二子泵电路，只维持部分第一子泵电路工作，减小电荷泵稳定后的电压纹波；
具体选择子泵电路的个数原则为：
假设要求达到的驱动能力(驱动能力是由启动时间来体现的，譬如对于恒定的负载，启动时间越快，则对于该负载，电路的驱动能力越强)是A，而电路的实际驱动能力是B，A-B＝Δ；
当Δ<0时，表明实际电路效果较差，就增加开启子泵电路的个数T；
反之，当Δ≥0时，表明实际电路效果较好，就减少T。
在本发明的一个较佳实施例中，在驱动极小负载模式下，外界提供的控制信号pump_tsw控制数字电路的开关控制信号en输出低电平给所有的第二子泵电路的时钟驱动电路，此时第二子泵电路的时钟驱动电路Clk_B<i>输出为fb_out或者VDDclk，从而关闭对应的第二子泵电路，同时外界提供的信号ctrl控制数字电路输出的控制信号Vctrl为低时，控制电平转换电路输出通断信号lesh给隔离管M的控制端，关闭隔离管M，防止输出电压倒灌，输出电压纹波小，数字电路的开关控制信号en输出高电平给部分第一子泵电路的时钟驱动电路，开启对应的第一子泵电路，数字电路的开关控制信号en输出低电平给剩余的第一子泵电路的时钟驱动电路，关闭对应的第一子泵电路。驱动小负载时，其纹波只有50mV，启动时间满足20us的要求(增加开启的子泵电路便可实现启动时间小于20us)。
在驱动中等负载或小负载模式下，外界提供的数字信号pump_tsw为低，此时，外界提供的ctrl和pump_tsw通过数字电路组合(与门和或门，不限)输出信号en<i>为高电平的则开启en<i>控制的对应时钟驱动电路，反之，关断对应的时钟驱动电路；外界提供的信号ctrl控制数字电路输出的控制信号Vctrl为低时，fb_out的电位根据电压采样模块输出的Vfb(对Vout进行检测)的变化而变化(fb_out增加，CLK_A<i>\B<i>的幅度降低，子泵电路的驱动能力减小；反之，fb_out减小，CLK_A<i>\B<i>的幅度增大，子泵电路的驱动能力增大，fb_out与子泵电路的驱动能力满足反比关系)，从而调节子泵电路的驱动能力，比较器OPC的逻辑输出comp_out一直为高，通过外界输入信号ctrl控制数字电路产生控制信号en<i>输出高电平，comp_out与en<i>通过数字电路组合(此时，en<i>为高则开启对应的时钟驱动电路，为低则关闭对应的时钟驱动电路)选择开启少数子泵电路(可以根据需要自由选择第一子泵电路Ⅰ和第二子泵电路Ⅱ，也可以只选择第一子泵电路Ⅰ或只选择第二子泵电路Ⅱ)。
在驱动大负载模式下，在pump_tsw＝1时，一部分en<i>＝1，数字电路(pump_tsw与外界提供的ctrl经过与、或的组合)输出信号en输出高电平，外界提供的信号ctrl控制数字电路输出的控制信号Vctrl为高时，电平转换电路输出通断信号lesh给隔离管M的控制端，隔离管M开启，fb_out的电位一直为0V，comp_out根据vfb与vref的比较结果输出为高电位或者低电位，在vfb<Vref时，comp_out为低电位(也可以做成高电位)，在vfb>Vref时,则comp_out输出为高电位(也可以做成低电位)，对于输入信号en<i>为高的时钟驱动电路，在comp_out为高时，则其处于工作状态；对于输入信号en<i>为高的时钟驱动电路，在comp_out为低时，其处于不工作状态；通过这种检测Vout的电位来稳定输出电压Vout。在电荷泵的输出电压稳定后(相对于电荷泵启动时来说，电荷泵输出稳定后电荷泵的输出能力可以减小的，不需要太强，同时稳定后电荷泵输出能力太强会导致纹波较大)，此时，通过外界提供的控制信号pump_tsw变为低电平，通过数字电路逻辑(pump_tsw与外界提供的ctrl经过与、或的组合)实现信号en<i>部分变为低电平，只维持部分第一子泵电路工作(具体根据实际应用需要确定保留的子泵电路的个数)，以此方式减小电荷泵稳定后输出电压的纹波，同时可以减小电路的稳态功耗。驱动大负载时，当Vout输出稳定后，pump_tsw由高变为低时，关闭部分子泵电路，维持输出电压稳定，减小稳态功耗(电路电流由5.38mA减小到5.22mA)；关闭一部分子泵电路后输出的纹波由关闭一部分子泵电路时的100mV减小到50mV，启动时间满足15us的要求。
本发明根据负载的大小动态调节电荷泵的驱动能力，实现合适的启动时间，减小电荷泵稳定后的电压纹波，避免了不必要的资源浪费。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种电荷泵电路，其特征在于，包含：
至少两个第一子泵电路(5)；
至少两个第二子泵电路(6)，每一个第二子泵电路(6)的输出电流大于所有第一子泵电路(5)的输出电流之和；
多个时钟驱动电路(2)，每个时钟驱动电路(2)分别为第一子泵电路和第二子泵电路提供驱动信号，控制第一子泵电路(5)和第二子泵电路(6)的通断；
控制电路，其根据电荷泵输出端的负载大小调整时钟驱动电路的通断，从而控制对应的第一子泵电路和第二子泵电路的通断；
所述的第一子泵电路(5)的输出电压直接连接到电荷泵输出端Vout，所述的第二子泵电路(6)的输出电压通过隔离管M连接到电荷泵输出端Vout。
2.如权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于，所述的控制电路包含：
时钟产生电路(1)，其连接每个时钟驱动电路(2)的输入端，为时钟驱动电路(2)提供时钟信号clk_net；
数字电路(3)，其连接每个时钟驱动电路(2)的输入端，为时钟驱动电路提供第一开关控制信号en，数字电路(3)还连接比较器(4)和电平转换电路(8)，为比较器(4)和电平转换电路(8)提供控制信号Vctrl，用于控制比较器的偏置电流，并通过电平转换电路(8)控制隔离管M的通断；
电压采样电路(7)，其连接在电荷泵输出端Vout和外界提供的偏置电压vref之间，其分压输出端输出电压采样信号Vfb给比较器(4)的输入端；
电平转换电路(8)，其连接数字电路(3)和隔离管M，电平转换电路(8)的输入端连接数字电路(3)的控制信号Vctrl，电平转换电路(8)用于根据控制信号Vctrl控制隔离管M的通断；
比较器(4)，其控制端连接数字电路(3)的控制信号Vctrl，其电源输入端连接偏置电流电路(9)，其模拟输出端输出低压电源信号fb_out给每个时钟驱动电路(2)，其正极输入端连接外界提供的偏置电压vref，其负极输入端连接电压采样电路(7)输出的电压采样信号Vfb，其逻辑输出端输出第二开关控制信号comp_out给每个时钟驱动电路(2)的输入端。
3.一种如权利要求2所述的电荷泵电路的负载驱动方法，其特征在于，包含以下步骤：
在驱动小于100pF负载模式下，关闭全部的第二子泵电路，开启至少一个第一子泵电路；
在驱动大于等于100pF且小于100nF负载模式下，开启至少一个第一子泵电路和至少一个第二子泵电路，或仅开启至少一个第一子泵电路，或仅开启至少一个第二子泵电路；
在驱动大于等于100nF负载模式下，先开启至少一个第一子泵电路和大于半数的第二子泵电路，直至电荷泵的输出稳定后，关闭全部的第二子泵电路，只维持至少一个第一子泵电路工作。
4.如权利要求3所述的电荷泵电路的负载驱动方法，其特征在于，通过控制时钟驱动电路的通断来控制对应的第一子泵电路或第二子泵电路的通断；数字电路提供的第一开关控制信号en和比较器提供的第二开关控制信号comp_out共同控制时钟驱动电路的通断，Y＝en·comp_out，其中Y是时钟驱动电路的状态，Y为高电平时，时钟驱动电路开启，Y为低电平时，时钟驱动电路关闭，第一开关控制信号en和第二开关控制信号comp_out是逻辑与的关系。
5.如权利要求3所述的电荷泵电路的负载驱动方法，其特征在于，通过控制隔离管M的通断来控制第二子泵电路的输出，当隔离管M导通，第二子泵电路输出电压给负载，当隔离管M断开，第二子泵电路停止输出电压给负载。
6.如权利要求3所述的电荷泵电路的负载驱动方法，其特征在于，外界提供的偏置电压vref<电压采样信号Vfb时，比较器输出的第二开关控制信号comp_out为高电平，外界提供的偏置电压vref>电压采样信号Vfb时，比较器输出的第二开关控制信号comp_out为低电平。
7.如权利要求4所述的电荷泵电路的负载驱动方法，其特征在于，当数字电路提供的控制信号Vctrl为高电平时，偏置电流电路增大提供给比较器的电流，外界提供的偏置电压vref<电压采样信号Vfb时，比较器输出的低压电源信号fb_out电位降低，外界提供的偏置电压vref>电压采样信号Vfb时，比较器输出的低压电源信号fb_out电位增大；
当数字电路提供的控制信号Vctrl为低电平时，偏置电流电路减小提供给比较器的电流，比较器输出的低压电源信号fb_out为0V。
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