CN113114036A - 电荷泵装置和提供泵电压的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电荷泵装置和产生正泵电压或负泵电压的方法。电荷泵装置可包含多个泵电容器、第一开关以及第二开关。多个泵电容器配置成产生负泵电压或正泵电压。第一开关耦合于第一电源线与多个泵电容器当中的第一泵电容器之间，且配置成使第一泵电容器电连接到第一电源线以产生正泵电压。第二开关耦合于第二电源线与多个泵电容器当中的第二泵电容器之间，且配置成使第二泵电容器电连接到第二电源线以产生负泵电压。

Description

电荷泵装置和提供泵电压的方法
技术领域
本公开大体上涉及一种电荷泵装置，且尤其涉及一种可提高电荷泵效率和容量的方法和电荷泵装置。
背景技术
电荷泵装置用来产生具有比电源电压更高的电压电平的泵电压。电荷泵装置可包含多个电容器，所述多个电容器可包含P-N结。P-N结可能导致降低电荷泵装置的效率和容量的寄生电容。此外，常规的电荷泵装置设计成产生正泵电压或负泵电压。因此，要求正泵电压和负泵电压的电子装置必须包含若干电荷泵装置，这导致较高制造成本。
由于近来对高性能电荷泵装置的需求已经增长，所以对于可提高电荷泵效率和容量的电荷泵电容器和电荷泵装置的创造性设计的需要已经增长。
发明内容
本文中介绍了一种电荷泵装置和用于使用所述电荷泵装置来提供负泵电压或正泵电压的方法。
在一些实施例中，电荷泵装置可包含多个泵电容器、第一开关以及第二开关。多个泵电容器配置成产生负泵电压或正泵电压。第一开关耦合于第一电源线与多个泵电容器当中的第一泵电容器之间，且配置成使第一泵电容器电连接到第一电源线以产生正泵电压。第二开关耦合于第二电源线与多个泵电容器当中的第二泵电容器之间，且配置成使第二泵电容器电连接到第二电源线以产生负泵电压。
在一些实施例中，一种提供负泵电压或正泵电压的方法包含以下步骤：串联地电连接多个泵电容器以产生正泵电压或负泵电压；当电荷泵装置配置成产生正泵电压时，接通第一开关以使第一电源线电连接到多个泵电容器当中的第一泵电容器以产生正泵电压；以及当电荷泵装置配置成产生负泵电压时，接通第二开关以使第二电源线电连接到多个电容器当中的第二泵电容器以产生负泵电压。
为了使前述内容更容易理解，以下详细地描述伴有附图的若干实施例。
附图说明
包含附图以提供对本公开的进一步理解，且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图示出本公开的实施例，且与描述一起用于解释本公开的原理。
图1A到图1D为根据一些实施例示出电荷泵装置的示意图；
图2为根据一些实施例的泵电容器的横截面视图；
图3A到图3B根据一些实施例示出泵电容器的示意图和电流-电压(IV)特性；
图3C到图3D根据一些替代性实施例示出泵电容器的示意图和IV特性；
图4为根据一些实施例示出产生适应于电荷泵装置的负泵电压或正泵电压的方法的流程图。
具体实施方式
参看图1A，电荷泵装置100a可包含多个泵电容器C1到泵电容器C6，以及多个开关SW31到开关SW35、开关SW21到开关SW26以及开关SW11到SW16。泵电容器C1到泵电容器C6经由开关SW31到开关SW35中的一个彼此耦合。更特定来说，泵电容器C1经由开关SW31耦合到泵电容器C2，泵电容器C2经由开关SW32耦合到泵电容器C3，泵电容器C3经由开关SW33耦合到泵电容器C4，泵电容器C4经由开关SW34耦合到泵电容器C5，且泵电容器C5经由开关SW35耦合到泵电容器C6。
泵电容器C1到泵电容器C6中的每一个具有第一端和第二端，其中泵电容器C1到泵电容器C6的第一端经由开关SW11到开关SW16耦合到电源线PL1，且泵电容器C1到泵电容器C6的第二端经由开关SW21到开关SW26耦合到电源线PL2。电源线PL1可接收电源电压VCC，且电源线PL2可接收电源电压GND。开关SW11到开关SW16配置成控制泵电容器C1到泵电容器C6的第一端与电源线PL1之间的电连接。开关SW21到开关SW26配置成控制泵电容器C1到泵电容器C6的第二端与电源线PL2之间的电连接。在一些实施例中，开关SW11到开关SW16、开关SW21到开关SW26以及开关SW31到开关SW35由开关信号(未示出)控制。
在一些实施例中，电荷泵装置100a进一步包含开关SW_P和SW_N。开关SW_P耦合于泵电容器C6的第二端与电源线PL1之间，且配置成控制泵电容器C6的第二端与电源线PL1之间的电连接。开关SW_N耦合于泵电容器C1的第一端与电源线PL2之间，且配置成控制泵电容器C1的第一端与电源线PL2之间的电连接。在一些实施例中，电荷泵装置100a进一步包含输出端OUT1和输出端OUT2，其中输出端OUT1耦合到泵电容器C1的第一端，且输出端OUT2耦合到泵电容器C6的第二端。输出端OUT1配置成输出正泵电压，且输出端OUT2配置成输出负泵电压。正泵电压和负泵电压的电压电平大于电源电压VCC的电压电平。在一些实施例中，电荷泵装置100a可基于开关SW_N和开关SW_P的开关来产生正泵电压或负泵电压。举例来说，当接通开关SW_P且切断开关SW_N时，电荷泵装置100a可产生正泵电压且将所述正泵电压输出到输出端OUT1。当切断开关SW_P且接通开关SW_N时，电荷泵装置100a可产生负泵电压且将所述负泵电压输出到输出端OUT2。换句话说，同一电荷泵装置100a可用来在输出端OUT1中产生正泵电压或在输出端OUT2中产生负泵电压。因此，提高了电荷泵装置100a的功能性和灵活性。
在一些实施例中，电荷泵装置100a可包含第一阶段和第二阶段，其中在第一阶段中对泵电容器C1到泵电容器C6进行充电，且在第二阶段中泵电容器C1到泵电容器C6配置成产生负泵电压或正泵电压。
参看图1B，根据一些实施例示出处于第一阶段的电荷泵装置100b。使用相同的附图标号对图1B中的电荷泵装置100b和图1A中的电荷泵装置100a中的相同元件进行编号。在电荷泵装置100b的第一阶段期间，切断开关SW31到开关SW35以及开关SW_P和开关SW_N，从而断开泵电容器C1到电容器C6当中的电连接。同时，接通开关SW11到开关SW16以及开关SW21到开关SW26以在泵电容器C1到泵电容器C6与电源线PL1和电源线PL2之间形成电连接。泵电容器C1到泵电容器C6中的每一个的第一端电连接到电源线PL1，且泵电容器C1到泵电容器C6中的每一个的第二端电连接到电源线PL2。因此，在第一阶段中泵电容器C1到泵电容器C6并联地耦合。在第一阶段中将泵电容器C1到泵电容器C6中的每一个充电到预定电压电平。在一些实施例中，预定电压电平可以是电源电压VCC的电压电平，但本公开不限于此。在一些实施例中，设定第一阶段的时间段，使得将电容器C1到电容器C6中的每一个充电到预定电压电平。
参看图1C，根据一些实施例示出在第二阶段中配置成产生正泵电压Vp1的电荷泵装置100c。使用相同的附图标号对图1C中的电荷泵装置100c和图1A中的电荷泵装置100a中的相同元件进行编号。在第二阶段中，切断电荷泵装置100c的开关SW11到开关SW16以及开关SW21到开关SW26，且接通电荷泵装置100c的开关SW31到开关SW35以串联地电连接泵电容器C1到泵电容器C6。同时，切断电荷泵装置100c的开关SW_N且接通电荷泵装置100c的开关SW_P以使泵电容器C6的第二端电连接到电源线PL1。因此，将电源电压VCC供应到泵电容器C6的第二端，且产生正泵电压Vp1并将所述正泵电压Vp1输出到输出端OUT1。大于电源电压VCC的电压电平的正泵电压Vp1的电压电平可基于泵电容器C1到泵电容器C6的数目和泵电容器C1到泵电容器C6的电容值来确定。
参看图1D，根据一些实施例示出在第二阶段中配置成产生负泵电压Vp2的电荷泵装置100d。使用相同的附图标号对图1D中的电荷泵装置100b和图1A中的电荷泵装置100a中的相同元件进行编号。在第二阶段中，切断电荷泵装置100d的开关SW11到开关SW16以及开关SW21到开关SW26，且接通电荷泵装置100d的开关SW31到开关SW35，以串联地电连接泵电容器C1到泵电容器C6。同时，接通电荷泵装置100d的开关SW_N且切断电荷泵装置100d的开关SW_P以使泵电容器C1的第一端电连接到电源线PL2。因此，将电源电压GND供应到泵电容器C1的第一端，且产生负泵电压Vp2并将所述负泵电压Vp2输出到输出端OUT2。负泵电压Vp2的电压电平可基于泵电容器C1到泵电容器C6的数目和电容器C1到电容器C6的电容值来确定。
参看图2，根据一些实施例示出泵电容器Cx的横截面视图。泵电容器Cx可以是图1A到图1D中的电荷泵装置的泵电容器C1到泵电容器C6中的任何一个。泵电容器Cx可包含衬底205、深阱203、阱201以及栅极层202。在一些实施例中，衬底205为p型衬底205，深阱203为n型深阱203，阱201为p型阱201，但本公开不限于此。衬底205、深阱203以及阱201的半导体类型可基于设计需要来变化。泵电容器Cx可具有两个端，即低侧端和高侧端，其中栅极层202可耦合到泵电容器Cx的低侧端且p型阱201可耦合到泵电容器Cx的高侧端。泵电容器Cx的低侧端和高侧端可取决于衬底205、深阱203以及阱201的半导体类型而变化。
在一些实施例中，p型阱201包含耦合到端T2和端T3的p型掺杂区2011和p型掺杂区2013，且栅极层202可耦合到端T1。端T1和端T3可分别称为泵电容器Cx的低侧端和高侧端。在一些实施例中，泵电容器Cx为具有MOS晶体管结构的金属氧化物半导体(metal-oxide-semiconductor；MOS)。MOS结构可包含耦合到端T1的栅极、耦合到端T2的漏极以及耦合到终端T3的源极。
在一些实施例中，p型衬底205可电容耦合到n型深阱203，其中寄生电容器PC1由于p型衬底205与n型深阱203之间的P-N结而存在。n型深阱203可电容耦合到p型阱201，其中寄生电容器PC2由于n型深阱203与p型阱201之间的P-N结而存在。寄生电容器PC1和寄生电容器PC2的寄生电容可能降低泵电容器Cx的泵效率。
在一些实施例中，泵电容器Cx的p型衬底205通过参考电压(例如GND)偏压且n型深阱203是浮动的。由于n型深阱203是浮动的，所以寄生电容器PC1串联耦合到寄生电容器PC2，从而减小寄生电容器PC1和寄生电容器PC2的等效寄生电容。寄生电容器PC1和寄生电容器PC2的等效寄生电容的减小提高泵电容器Cx的泵效率。换句话说，通过使n型深阱203浮动，提高了泵电容器Cx的泵效率。
此外，p型衬底205、n型深阱203以及p型阱201可形成PNP晶体管(例如双极晶体管)，所述PNP晶体管具有基极(所述基极为n型深阱203)、集电极以及发射极(所述集电极和所述发射极为p型阱201和p型衬底205)。当n型深阱203是浮动的时，集电极与发射极之间的击穿电压(例如电压BVCEO)在正向方向和反向方向两者上相对较高。因此，可在不击穿泵电容器Cx的情况下在正向方向或反向方向两者上将高电压施加到泵电容器Cx的p型阱201。换句话说，可将高正电压或高负电压施加到泵电容器Cx的p型阱201。由于可将高正电压和高负电压两者施加到泵电容器Cx的p型阱201，所以泵电容器Cx可在电荷泵装置中使用以产生正泵电压或负泵电压。
参看图1C和图2，当电荷泵装置100c配置成产生正泵电压Vp1时，泵电容器Cx(例如泵电容器C1到泵电容器C6)的p型阱201可通过高正电压来施加。参看图1D和图2，当电荷泵装置100d配置成产生正泵电压Vp2时，泵电容器Cx(例如泵电容器C1到泵电容器C6)的p型阱201可通过高负电压来施加。
参看图3A，根据一些实施例示出泵电容器300a的示意图。泵电容器300a可包含n型衬底305a、p型深阱303a、n型阱301a以及栅极层302a。泵电容器300a可包含两个端，即高侧端和低侧端，其中泵电容器300a的低侧端可耦合到n型阱301a，且泵电容器300a的高侧端可耦合到栅极层302a。在一些实施例中，泵电容器300a的高侧端耦合到端T1，且泵电容器300a的低侧端耦合到端T3。
n型衬底305a、p型深阱303a以及n型阱301a可形成NPN晶体管(例如双极晶体管)，所述NPN晶体管具有基极(所述基极为p型深阱303a)、集电极以及发射极(所述集电极和所述发射极为n型衬底305a和n型阱301a)。在一些实施例中，p型深阱303a是浮动的。当p型深阱303a是浮动的时，集电极与发射极之间的击穿电压(例如电压BVCEO)在正向方向和反向方向两者上相对较高。
参看图3B，根据一些实施例示出由图3A中的n型衬底305a、p型深阱303a以及n型阱301a形成的NPN晶体管的IV特性。图3B中的水平轴线示出当NPN晶体管的基极是浮动的时NPN晶体管的集电极与发射极之间的电压。图3B中的竖直轴线示出当NPN晶体管的基极是浮动的时流动穿过NPN晶体管的集电极和发射极的电流。如图3B中所示出，在正向方向和反向方向上的NPN晶体管的集电极与发射极之间的击穿电压Bvceo_1b和击穿电压Bvceo_2b较高。举例来说，如图3B中所示出的击穿电压Bvceo_1b和击穿电压Bvceo_2b的绝对值比P-N结的正向偏压电压高得多。因此，可在不击穿泵电容器300a的情况下在正向方向或反向方向两者上将高电压施加到泵电容器300a的n型阱301a。换句话说，可将高正电压或高负电压施加到泵电容器300a的n型阱301a，从而允许泵电容器300a产生正泵电压或负泵电压。
参看图3C，根据一些实施例示出泵电容器300c的示意图。泵电容器300c可包含p型衬底305c、n型深阱303c、p型阱301c以及栅极层302c。泵电容器300c可包含两个端，即高侧端和低侧端，其中泵电容器300c的低侧端可耦合到栅极层302c，且泵电容器300c的高侧端可耦合到p型阱301c。在一些实施例中，泵电容器300c的高侧端耦合到端T3，且泵电容器300c的低侧端耦合到端T1。
p型衬底305c、n型深阱303c以及p型阱301c可形成PNP晶体管，所述PNP晶体管具有基极(所述基极为n型深阱303c)、集电极以及发射极(所述集电极和所述发射极为p型衬底305c和p型阱301c)。在一些实施例中，n型深阱303c是浮动的。当n型深阱303c是浮动的时，集电极与发射极之间的击穿电压(例如电压BVCEO)在正向方向和相反方向两者上相对较高。
参看图3D，根据一些实施例示出由图3C中的p型衬底305c、n型深阱303c以及p型阱301c形成的PNP晶体管的IV特性。图3D中的水平轴线示出当PNP晶体管的基极是浮动的时PNP晶体管的集电极与发射极之间的电压。图3D中的竖直轴线示出当PNP晶体管的基极是浮动的时流动穿过PNP晶体管的集电极和发射极的电流。如图3D中所示出，在正向方向和反向方向上的PNP晶体管的集电极与发射极之间的击穿电压Bvceo_1d和击穿电压Bvceo_2d较高。击穿电压Bvceo_1d和击穿电压Bvceo_2d的绝对值可比P-N结的正向偏压电压大得多。因此，可在不击穿泵电容器300c的情况下将高负电压和高正电压施加到p型阱301c，从而允许图3C中的泵电容器300c产生正泵电压或负泵电压。
参看图4，根据一些实施例示出用于产生负泵电压或正泵电压的方法的流程图。在步骤S410中，多个泵电容器串联地电连接。在一些实施例中，用于产生负泵电压或正泵电压的电荷泵装置具有两个阶段，即第一阶段和第二阶段。在第二阶段中，多个泵电容器串联地电连接。在步骤S420中，当电荷泵装置配置成产生正泵电压时，接通第一开关以使第一电源线电连接到多个泵电容器当中的第一泵电容器以产生正泵电压。在步骤S430中，当电荷泵装置配置成产生负泵电压时，接通第二开关以使第二电源线电连接到多个电容器当中的第二泵电容器以产生负泵电压。
总体来说，介绍了一种包含多个泵电容器的电荷泵装置和用于产生正泵电压或负泵电压的方法。泵电容器中的每一个可包含第一半导体类型的衬底、第二半导体类型的深阱以及第一半导体类型的阱。泵电容器的深阱是浮动的，由此减小衬底、深阱以及泵电容器的阱当中的等效寄生电容且增强泵电容器的泵容量。此外，可将高正电压或高负电压施加到泵电容器的阱，因而允许同一电荷泵装置产生正泵电压或负泵电压。因此，提高了电荷泵装置的灵活性，且降低了电子装置(尤其是要求正泵电压和负泵电压的电子装置)的制造成本。
将对本领域的技术人员显而易见的是，可在不脱离本公开的范围或精神的情况下对所公开实施例的结构作出各种修改和变化。鉴于前述内容，希望本公开涵盖属于所附权利要求和其等效物的范围内的本公开的修改和变化。

Claims (17)

1.一种电荷泵装置，包括：
多个泵电容器，配置成产生负泵电压或正泵电压，所述多个泵电容器串联地电连接；
第一开关，耦合于第一电源线与所述多个泵电容器当中的第一泵电容器之间，所述第一开关配置成使所述第一泵电容器电连接到所述第一电源线以产生所述正泵电压；以及
第二开关，耦合于第二电源线与所述多个泵电容器当中的第二泵电容器之间，所述第二开关配置成使所述第二泵电容器电连接到所述第二电源线以产生所述负泵电压。
2.根据权利要求1所述的电荷泵装置，其中所述多个泵电容器中的每一个泵电容器包括：
第一半导体类型的衬底；
第二半导体类型的第一阱，电容耦合到所述衬底；以及
所述第一半导体类型的第二阱，电容耦合到所述第一阱，
其中所述第一阱是浮动的，且所述衬底通过参考电压偏压。
3.根据权利要求2所述的电荷泵装置，其中
当所述多个泵电容器配置成产生所述正泵电压时，通过正电压施加所述多个泵电容器中的每一个泵电容器的所述第一半导体类型的所述第二阱，且
当所述多个泵电容器配置成产生所述负泵电压时，通过负电压施加所述多个泵电容器中的每一个泵电容器的所述第一半导体类型的所述第二阱。
4.根据权利要求2所述的电荷泵装置，其中
形成于所述衬底与所述第一阱之间的第一寄生电容器串联耦合到形成于所述第一阱与所述第二阱之间的第二寄生电容器。
5.根据权利要求2所述的电荷泵装置，其中
所述多个泵电容器中的每一个泵电容器进一步包括电容耦合到所述第二阱的栅极层，
所述第二阱电耦合到所述每一个泵电容器的高侧端和低侧端中的一个，且
所述栅极层电耦合到所述每一个泵电容器的所述高侧端和所述低侧端中的另一个。
6.根据权利要求5所述的电荷泵装置，其中所述第二阱包括耦合到所述每一个泵电容器的所述高侧端和所述低侧端中的所述一个的掺杂区。
7.根据权利要求1所述的电荷泵装置，其中
在第一阶段中，所述多个泵电容器中的每一个泵电容器电耦合于所述第一电源线与所述第二电源线之间，以将所述多个所述泵电容器中的每一个泵电容器充电到预定电压，且
在第二阶段中，将所述多个所述泵电容器串联耦合以产生所述正泵电压或所述负泵电压。
8.根据权利要求7所述的电荷泵装置，进一步包括：
多个第三开关，其中
所述多个第三开关中的每一个第三开关耦合于所述多个泵电容器当中的两个泵电容器之间，
在所述第一阶段中，切断所述多个所述第三开关以使所述多个所述泵电容器彼此电绝缘，且
在所述第二阶段中，接通所述多个所述第三开关以串联地电连接所述多个泵电容器。
9.根据权利要求8所述的电荷泵装置，进一步包括：
多个第四开关，耦合于所述多个泵电容器与所述第一电源线之间，其中
在所述第一阶段中，接通所述多个第四开关以使所述多个泵电容器中的每一个泵电容器的高侧端电连接到所述第一电源线，且
在所述第二阶段中，切断所述多个第四开关以使所述多个泵电容器中的每一个泵电容器的所述高侧端与所述第一电源线电绝缘。
10.根据权利要求9所述的电荷泵装置，进一步包括：
多个第五开关，耦合于所述多个泵电容器与所述第二电源线之间，其中
在所述第一阶段中，接通所述多个第五开关以使所述多个泵电容器中的每一个泵电容器的低侧端电连接到所述第二电源线，且
在所述第二阶段中，切断所述多个第五开关以使所述多个泵电容器中的每一个泵电容器的所述低侧端与所述第二电源线电绝缘。
11.一种提供适应于电荷泵装置的负泵电压或正泵电压的方法，所述方法包括：
串联地电连接多个泵电容器；
当所述电荷泵装置配置成产生所述正泵电压时，接通第一开关以使第一电源线电连接到所述多个泵电容器当中的第一泵电容器，以产生所述正泵电压；以及
当所述电荷泵装置配置成产生所述负泵电压时，接通第二开关以使第二电源线电连接到所述多个电容器当中的第二泵电容器，以产生所述负泵电压。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述多个泵电容器中的每一个泵电容器包括：
第一半导体类型的衬底；
第二半导体类型的第一阱，电容耦合到所述衬底；以及
所述第一半导体类型的第二阱，电容耦合到所述第一阱，
其中所述第一阱是浮动的，且所述衬底通过参考电压偏压。
13.根据权利要求12所述的方法，其中
当所述多个泵电容器配置成产生所述正泵电压时，通过正电压施加所述多个泵电容器中的每一个泵电容器的所述第一半导体类型的所述第二阱，且
当所述多个泵电容器配置成产生所述负泵电压时，通过负电压施加所述多个泵电容器中的每一个泵电容器的所述第一半导体类型的所述第二阱。
14.根据权利要求11所述的方法，其中
在第一阶段中，所述多个泵电容器中的每一个泵电容器电耦合于所述第一电源线与所述第二电源线之间，以将所述多个所述泵电容器中的每一个泵电容器充电到预定电压，且
在第二阶段中，将所述多个所述泵电容器串联耦合以产生所述正泵电压或所述负泵电压。
15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括：
在所述第一阶段中，切断多个第三开关以使所述多个所述泵电容器彼此电绝缘；以及
在所述第二阶段中，接通所述多个所述第三开关以串联地电连接所述多个泵电容器，
其中所述多个第三开关中的每一个第三开关耦合于所述多个泵电容器当中的两个泵电容器之间。
16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：
在所述第一阶段中，接通多个第四开关以使所述多个泵电容器中的每一个泵电容器的高侧端电连接到所述第一电源线；以及
在所述第二阶段中，切断所述多个第四开关以使所述多个泵电容器中的每一个泵电容器的所述高侧端与所述第一电源线电绝缘，
其中所述多个第四开关耦合于所述多个泵电容器与所述第一电源线之间。
17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：
在所述第一阶段中，接通多个第五开关以使所述多个泵电容器中的每一个泵电容器的低侧端电连接到所述第二电源线；以及
在所述第二阶段中，切断所述多个第五开关以使所述多个泵电容器中的每一个泵电容器的所述低侧端与所述第二电源线电绝缘，
其中所述多个第五开关耦合于所述多个泵电容器与所述第二电源线之间。
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