CN1856762A - 用于多电压存储系统的带有旁路器的电压调节器 - Google Patents

用于多电压存储系统的带有旁路器的电压调节器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种向一外围装置(200)供应电源的系统和方法，其中由一主机(275)装置供应的电压可以是所述外围装置操作所需的电压或一更高的电压。一存储系统(200)包括一电压调节器(500、600)，所述电压调节器包括一输入端和一输出端和一将所述输入端短接到所述输出端的旁路器(P2、P3、P4、P5)。一电压检测器(550)与所述调节器(500、600)通信。一旁路启用信号耦接到所述旁路器元件，其中所述旁路启用信号可操作地响应于由所述主机装置产生的指示所述主机加电完成的一信号。一种在一存储系统(200)中操作一电压调节器(500、600)的方法包括以下步骤：提供一电压调节器(500、600)，所述电压调节器具有一输入端和一输出端且包括一将所述输入端短接到所述输出端的旁路器(P2、P3、P4、P5)；在一主机装置(275)加电之前将所述旁路器(P2、P3、P4、P5)设定为关；响应于一来自一主机装置(275)的加电完成信号，确定由所述主机(275)供应的电源；且如果由所述主机(275)供应的电源低于一临界操作电压，那么启用所述旁路器(P2、P3、P4，P5)。

Description

用于多电压存储系统的带有旁路器的电压调节器
技术领域
本发明针对多电压供电应用中的电压调节，且尤其针对诸如存储系统的外围装置。
背景技术
非易失性半导体存储器风行于多种用途，其中包括蜂窝式电话、数码相机、掌上电脑、移动计算装置、非移动计算装置、音频视频播放器和其他设备。电可擦可编程只读存储器(EEPROM)和闪存是其中最风行的非易失性半导体存储器类型。
典型应用包括在存储卡系统中提供多个存储元件阵列的设备，诸如存储卡，然后将其插入主机装置中。EEPROM和闪存都利用多个存储元件阵列以在每个元件上存储一位或多位的数据。每个元件一般包括一位于通道区上方且与其隔离的浮栅和一半导体基底。所述浮栅位于源极区和漏极区之间。可在浮栅上方提供控制栅且与其隔离。每个存储器晶体管的临界电压受已保留在所述浮栅上的电荷量控制。也就是说，在开启晶体管之前必须施加到所述控制栅的最小量电压以允许在其源极之间导电是受所述浮栅上的电荷水平控制的。许多EEPROM和闪存具有一用于存储两段电荷的浮栅，因此，存储器单元可以在两个状态之间编程/擦除。所述存储器单元可存储一字节数据。其他EEPROM和闪存单元可存储多段电荷，且因此，所述存储器单元可经编程以存储多个状态。所述存储器单元可存储多字节数据。
处理技术方面的改进已导致更小的晶体管装置尺寸。这接着导致每连续代晶体管技术中更低电源的要求。举例来说，一0.25微米的处理装置工作在约2.5伏的电压上，一0.18微米的处理使用1.8v(+/-10％)的电源，一0.15微米的处理将使用一1.5(+/-10％)伏电源，0.13微米的技术1.2v(+/-10％)的电源，等等。
遗憾的是，不是所有的主机装置都能供应所述技术需要的必要电源。例如，以前的主机可为仅需要1.8伏的存储系统供应3伏。因此，由新技术建构的存储器装置必须考虑到，其所用的主机装置将供应比传统产品使用的电压更高电压的可能性。因此功率电平检测和电压调节技术用于向存储器装置提供正确电压。
另一个考虑事项是，当实质电流从装置中导出时，大多数调节器会强加一相当大的电压降。如果在输入处供应低于预期电压的电压，那么设计用于步降传统电压的电压调节器将会经受一电流降。举例来说，在常规的电压调节器中，3伏的主机拥有足够的峰值储备来为1.8伏的装置供应高电流，但1.8伏的主机不能为1.8伏的装置供应低电压降的高电流，输出将会较低。
发明内容
本发明，大体来说，涉及一种为外围装置供应电源的系统和方法，其中由主机装置供应的电压可以是外围装置工作需要的电压，或是更高的电压。
一方面，本发明是一种包括一控制路径的存储系统，所述控制路径连接到供应电压的主机装置。所述系统包括一电压调节器，其包括一输入端、一输出端和一将所述输入端短接到所述输出端的旁路器。另外，还提供一与所述调节器通信的电压检测器。一旁路启用信号耦接到所述旁路器元件，所述旁路启用信号可操作地响应于由主机装置产生的指示主机加电完成的信号。
另一方面，本发明包含一种在存储系统中操作电压调节器的方法。在这个方面，所述方法包含以下步骤：提供一电压调节器，所述电压调节器具有一输入端和一输出端，且包括一将所述输入端短接到所述输出端的旁路器；在主机装置加电之前将旁路器设定为关；响应于来自主机装置的加电完成信号，确定由主机供应的电源；且如果由主机供应的电源低于临界工作电压，那么启用所述旁路器。
又一方面，本发明包含一种外围装置，其用于包括一电压调节器电路的主机系统。所述装置可包括一电压调节器，所述电压调节器具有一输入端和一输出端，和一经耦接以选择性地将所述输入端短接到所述输出端的旁路器元件。提供一旁路控制信号，其耦接到旁路器元件且响应于主机系统加电完成信号。当由主机提供的电压低于临界电平时，所述旁路控制信号启用所述旁路器元件。
另一方面，本发明包含一种存储系统。所述系统包括一控制器、一存储器阵列和一电压调节器。所述调节器在输入端和输出端之间具有一响应于旁路控制信号的短接元件。由所述控制器提供所述旁路控制信号以响应于主机系统加电完成信号，当由主机提供的主机电源电压低于临界电平时，所述旁路控制信号启用所述旁路器元件。
通过以下描述，本发明的上述以及其他物件和优点将更加显而易见，其中本发明的优选实施例已结合附图进行陈述。
附图说明
本发明将关于其具体实施例进行描述。参考说明书和附图，本发明的其他物件、特征和优点将变得显而易见，其中：
图1为适合用作本发明的存储卡的主机系统的计算机系统的方框图。
图2为存储卡结构的方框图。
图3为描绘用于存储卡中的常规电压调节器实例的示意图。
图4为描绘对于输入到图3的电压调节器的两个输入电压而言输出电压对电流负载的曲线图。
图5为本发明的一个电压调节器。
图6为本发明的另一个电压调节器。
图7为描绘一种操作本发明的电压调节器的方法的流程图。
具体实施方式
本发明适用于非易失性存储系统。所述系统可使用许多类型的主机装置，诸如蜂窝式电话、数码相机、掌上电脑、移动计算装置、非移动计算装置和其他装置。一种典型的主机装置是计算机系统。应认识到，图1中所示的系统是示范性的，且许多装置可用作存储卡的主机，其中包括数码照相机、音乐播放器、计算机及其类似物。
在图1中一般性说明可并入本发明的许多方面的计算机系统。典型的计算机系统结构包括连接到系统总线170和随机存取主系统存储器120的微处理器110，和至少一个或多个输入输出装置130，诸如键盘、监视器、调制解调器及其类似物。一般而言，一个或多个非易失性存储系统也连接到所述系统总线170。通常，所述存储器是一个磁盘驱动器，且其上存储的数据被提取到所述系统易失性存储器120中以用于当前处理，且可易于补充、改变或变更。
展示存储存储系统200也耦接到所述系统总线170。系统200由一连接到所述计算机系统总线170的存储器控制器140和一可包含EEPROM集成电路芯片的存储器阵列160建构。数据和指令主要在一数据线150上从所述控制器140传递到所述存储器阵列160。图2展示所述控制器140和所述阵列160之间的其他控制和状态电路。所述控制器140优选主要形成于在单个集成电路芯片上。所述存储器阵列160可包括许多EEPROM集成电路芯片。
图2是示范性存储系统的更详细的方框图。图2中所示的结构类似于多媒体卡(MMC)系统所用的结构。然而，应认识到，本发明不限于使用MMC结构的存储系统，而且适用于外围装置元件所需要的操作电压是固定的任何应用中，但是主机装置电源电压可以是所需要的操作电压或是更高的电压。此包括存储系统，诸如PC卡、CF卡(Compact Flash Card)、SM卡(Smart Media Card)，以及智能媒体和记忆棒装置。
在存储系统200中，图1中的存储系统总线的各种线路终止于卡的连接引脚，以用于通过一连接器而连接所述计算机系统的其他部分。在图2的方框图中，存储卡200将通过总线240耦接到主机系统275。所述总线可包括直接耦接到存储卡200的许多信号。在多媒体卡(MMC)规格中，使用七个引脚。在小型闪存(CF)规格中，使用50个引脚。其他存储系统技术使用各种形式的连接器，但是一般来说，其都向所述外围存储系统供应工作电压。
在图2中，只展示由所述主机提供的信号中的四个信号：命令响应信号(CMD)、时钟信号(CLK)和数据信号(DAT)是从主机275提到到接口驱动器220。所示由主机275提供的还有电源电压VDD。接口驱动器220与所述控制器140通信。控制器140耦接到一系列存储寄存器210。
所述命令信号是用于卡初始化和数据传送命令的双向命令通道。所述命令信号具有两种操作模式：用于初始化模式的开漏式(open-drain)和用于快速命令传送的推挽式(push-pull)。命令可从多媒体卡总线主控器发送到所述卡，且从所述卡发送响应到主机275。所述数据信号是一双向数据通道。所述数据信号以推挽方式工作。两个从主机275到卡200的附加电源电压接地信号和一个备用信号构成MMC卡中的七个引脚。应了解，许多不同的存储卡200可用于本发明的系统中。
寄存器210为控制器140存储信息。在MMC规格中，定义了五个寄存器，且包括一存储所述卡VDD电压轮廓的操作状态寄存器(OCR)和一可用于改进扩展操作状态的最佳性能的驱动器级寄存器(DSR)。
控制器140经由一存储器核心接口230与存储器阵列160通信，以从阵列读取数据或将数据写入阵列中。根据本发明，可使用许多不同类型的阵列、控制器、接口和寄存器，且可良好记录这种类型存储系统的操作。
图2还展示电压检测器和调节器电路250。本发明的检测器和调节器250确保用于操作存储卡200的正确电压供应到所述卡，与所述主机电压无关。
图3展示一标准电压调节器300。电压调节器300包括一比较器310、一PMOS晶体管P1，和电阻器R1和R2。参考电压确保从晶体管P1源极传到晶体管P1漏极和装置输出(OUT)的电源电压VDD被调节成输出端处所需要的电源电压。此项技术中众所周知的是，电压调节器300利用精确参考电压VREF来维持精确的电压，以设定输出电压(OUT)。诸如放大器310的自动控制器用于调整所述控制元件P1的驱动。电阻器R1和R2向比较器的负输入端馈给调节器输出的一小部分。所述比较器调整对晶体管P1的驱动，使得利用已知技术将电压与参考电压相关。
如果所述输入电压VDD明显低于预期电压，那么问题出在图3中的电压调节器。当电压调节器300为达到预期电压或更高电压(例如3伏，相对于1.8伏的目标调节电压而言)而正确操作时，如果电压输入很低(例如1.8伏)，所述电压调节器将无法供应足够的电流。
这在图4中进行示范，图4是对于图3中电压调节器的两个电源电压VDD等于3伏和VDD等于1.8伏的情况，电压输出VO对负载电流(Iload)的曲线图。如上所注意的，1.8伏装置的标称操作电压是1.65伏，其在图4的纵座标上的虚线指示。对于3伏的电源电压VDD来说，图3的电压调节器的输出电流足以满足操作装置所需要的最小电流，且所述输出电压仍大于操作所述装置所需要的临界值。如果所述电压输入VDD变成1.8伏，那么性能曲线将急剧下降，且输出电流明显下降，例如降到10毫安。在这种情况下，所述电源电压不足以为所述存储系统提供动力。
图5展示适用于本发明中的电压调节器的第一实施例。以相同的方式进行编号具有与图4中所述元件的特征相同特征的元件。
如图5所示，一个旁路晶体管P2已添加到图3的配置中。图5中所示的调节器的元件(非所述旁路器元件P2)是示范性的；应了解，用于相对于所述调节器的输出而调节电源电压的特定电路对本发明并非关键。从以下描述中将可了解，在任何调节器配置中，将输入端处的电源电压短接到输出端处的能力可用于实施本发明。
电压调节器500允许输入电压上的变化，以协调用于传递足够为存储系统(或其他外围装置)直接提供动力的电源电压的主机，且协调用于提供高于所述存储系统所需电压的传统电源电压的主机。图5还展示一平滑电容器C1，对于在1.8伏范围内操作的值而言，其可具有约为1微法的值。在施加旁路信号的情况下，在所述控制器160的引导下，旁路晶体管短接VDD与输出之间的输入电压。因此，在输入电压足够运行所述存储系统的情况下，启用所述旁路器，且将电压直接提供给输出端。在电压明显较高的情况下，所述电压调节器被允许正常操作，以减少供应到所述输出端的电压。
图5还展示检测器电路550，其包括一低压检测比较器510和提供可由控制器140读取的输出信号的抽样逻辑520。低压比较器510提供一输出信号，当所述存储卡的VDD输入低于特定临界电压VTH时，所述输出信号为高。本发明中，与图5中的电压调节器500和图6中的600相结合的逻辑用于控制电压调节。所述逻辑确定所供应的电压是更高电压的传统装置的电压，还是所述存储系统所需的电源电压。
图6展示图5所示的电压调节器的替代实施例。在图6中，展示了其它晶体管P4、P5和P3。指示所述其它晶体管以展示一种替代方法，其确保通过耦接在VDD与输出之间的短接路径中的所有三个晶体管来短接VDD和输出端。另外，提供其它电阻器R3，使得可选择返回到比较器310的电压反馈，以使所述调节器在输出端处提供任意多种合适的电源电压。通过施加不同的反馈电压，图6的电压调节器可用于多个可变电压设定。举例来说，图6中的调节器展示1.8伏时或1.2伏时返回到比较器310的部分电压。允许各种输入电压的步降的图5和图6的调节器配置的明显变化对于所属领域的普通技术人员而言将显而易见。
图7展示一种根据本发明来操作图5或图6的电压调节器的方法。一般来说，所述方法假设电源电压将会较高且允许基于所述假设而为主机加电，在这个阶段置旁路器装置为无效状态。然后，来自主机的控制信号用于指示加电完成，且抽样逻辑的输出接着用于确定是否实施所述旁路器信号。
例如，假设将使用可操作在1.8伏的存储系统。在附接系统的情况下，所述系统不知道电源电压是1.8伏或更大。在步骤710中，起初，控制器将晶体管P2的旁路器设定为无效，以确保存储器阵列不会因为更高的3伏操作而损坏。当为主机装置加电时，主机功率的斜线将随着时间而可广泛变化。所述斜线可急剧上升，指示快速加电，或者可随着时间而变得更长。
然后，在步骤720中，在旁路器设定为关的情况下，控制器等待来自主机装置的指示加电已完成的指示信号。在一个实施例中，临界电压是2.4伏，用以区分1.8伏+/-10％的操作和3.0伏+/-10％的操作。在另一个实施例中，其中所述装置是一MMC卡，此信号可以是CMD0或是CMD1，它们是主机发送到MMC卡的初始两个命令，一般用于将所有卡重设为闲置状态，且请求和确认工作状态。在其他技术中，任何指示主机装置加电完成的初始信号，特别是为此目的设计或从性质上指示完成的信号，可用作所述指示信号。
接着，在步骤730中，在接收到来自所述主机装置的加电信号之后，抽样逻辑520将测试低压比较器510的输出。如果比较器510的输出较高，此指示存在低于临界电压VTH的电压。如果所述输出较低，那么所述VDD输入将会超过指示较高电压的临界电压。
在步骤740中，是低于临界值的低压(LV)比较器电压的电压，然后所述比较器的输出将较高，且将在步骤760中开启旁路器。如果输出较低，那么在步骤750中，将所述旁路器设定为关。
当处于旁路器模式时，大多数存储卡提供过压保护，当随后供应高电压时，过压保护停用任何有源旁路器装置。如果发生用户改变电源的情况，例如，将1.8伏改成3.0伏，但没有使用MMC协议中所需的正常断电重设，那么所述过压保护将保护所述存储器核心。
正常情况下，在许多装置中，为了不造成所述存储器核心可靠性方面的问题，最大内电压会受到限制。当C1使用足够电容的时候，对电源斜率没有限制性要求。
在低压比较器510的输出较高的情况下，可随后由控制器中的固件来关闭所述调节器以节约电源。
最后，在步骤770中，旁路器控制将传送到在本文所述的存储系统中一般出现的过压保护。
本发明的上文详细描述是为了说明和描述目的而呈现的。并不表示此类描述是穷尽的或者使本发明精确地局限于所揭示的形式。依据上述教示，还可能作出许多修改和变化。选择所描述的实施例是为了最好地解释本发明的原理和其实际应用，进而使所属领域的其他技术人员能够在各种实施例中最好地使用本发明，且可利用适合于所涵盖的特定用途的各种修改来最好地使用本发明。本发明的保护范围应由所附权利要求书所定。

Claims (36)

1.一种包括一为一主机装置提供电压的控制路径的存储系统，其包含：
一电压调节器，其包括一输入端、一输出端和一将所述输入端短按到所述输出端的旁路器；
一与所述调节器通信的电压检测器；
一旁路启用信号，其可操作地响应于由所述主机装置产生的指示所述主机加电完成的一信号。
2.根据权利要求1所述的存储系统，其进一步包括一电压检测器，其输出一指示所述主机电源电压的信号。
3.根据权利要求1所述的存储系统，其中所述旁路器为至少一个晶体管。
4.根据权利要求3所述的存储系统，其中所述旁路器包含复数个晶体管。
5.根据权利要求3所述的存储系统，其中由控制器将所述旁路启用信号提供到所述晶体管的一栅极。
6.根据权利要求1所述的存储系统，其中由所述主机装置产生的所述信号是一到所述存储系统的命令信号。
7.根据权利要求1所述的存储系统，其中所述存储系统是一多媒体卡。
8.根据权利要求1所述的存储系统，其中所述存储系统是一多媒体卡，且由所述主机装置产生的所述信号是一命令信号。
9.根据权利要求8所述的存储系统，其中所述命令信号是CMD0或CMD1。
10.根据权利要求1所述的存储系统，其中由所述主机产生的所述信号是一指示所述主机装置加电完成的信号。
11.根据权利要求1所述的存储系统，其中所述存储系统是一PC卡。
12.根据权利要求1所述的存储系统，其中所述存储系统是一CF卡(Compact FlashCard)。
13.根据权利要求1所述的存储系统，其中所述存储系统是一SD卡(Secure DigitalCard)。
14.根据权利要求1所述的存储系统，其中所述存储系统是一SM卡(Smart MediaCard)。
15.根据权利要求1所述的存储系统，其中所述存储系统是一记忆棒。
16.一种用于在一存储系统中操作一电压调节器的方法，其包含：
提供一电压调节器，所述电压调节器具有一输入端和一输出端，且包括一将所述输入端短接到所述输出端的调节旁路器；
在一主机装置加电之前将所述旁路器设定为关；
响应于来自一主机装置的一加电完成信号，确定由所述主机供应的电源；和
如果所述电源低于一临界操作电压，那么启用所述旁路器。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述旁路器是一晶体管，且将所述旁路器设定为关的步骤包括将一信号提供到所述晶体管的一栅极。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述旁路器包含复数个晶体管，且启用所述旁路器的步骤包含将一启用信号施加到所述复数个晶体管的每个栅极。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述加电完成信号是一来自所述主机的命令信号。
20.根据权利要求19所述的方法，其中对于一多媒体卡而言，命令信号是CMD0或CMD1。
21.根据权利要求17所述的方法，其中所述临界电压低于2.7伏。
22.根据权利要求17所述的方法，其中所述临界电压低于2.0伏。
23.根据权利要求17所述的方法，其中所述临界电压低于1.65伏。
24.根据权利要求17所述的方法，其中所述临界电压低于1.3伏。
25.一种用于包括一电压调节器电路的主机系统的外围装置，其包含：
一电压调节器，所述电压调节器具有一输入端和一输出端、一经耦接以选择性地将所述输入端短接到所述输出端的旁路器元件；
一旁路控制信号，其耦接到所述旁路器元件且响应于一主机系统加电完成信号，当由所述主机提供的所述电压低于一临界电平时，所述主机系统加电完成信号启用所述旁路器元件。
26.根据权利要求25所述的外围装置，其中所述调节器包括一响应于所述加电完成信号的检测器。
27.根据权利要求26所述的外围装置，其中当由所述主机提供的所述电压高于一临界值时，所述检测器输出一第一信号，且当由所述主机提供的所述电压低于一临界值时，所述检测器输出一第二信号。
28.根据权利要求25所述的外围装置，其中所述旁路器元件包括至少一个p型晶体管。
29.根据权利要求27所述的外围装置，其中所述旁路控制信号被施加到所述至少一个晶体管的栅极。
30.根据权利要求27所述的外围装置，其中所述旁路器元件在所述主机装置加电期间失效。
31.根据权利要求25所述的外围装置，其中所述旁路控制信号是由一控制器提供的。
32.一种用于在一多媒体卡存储装置中操作一电压调节器的方法，其包含：
提供一电压调节器，所述电压调节器具有一输入端和一输出端，且包括一将所述输入端短接到所述输出端的调节器旁路器；
在一主机装置加电之前将所述旁路器设定为关；
响应于来自所述主机装置的一命令信号，确定由所述主机供应的电源；和
如果所述电源低于一临界操作电压，那么启用所述旁路器。
33.根据权利要求19所述的方法，其中对于一多媒体卡而言，命令信号是CMD0或CMD1。
34.一种存储系统，其包含：
一控制器；
一存储阵列；和
一电压调节器，所述电压调节器在一输入端和输出端之间具有一响应于一旁路控制信号的短接元件，由所述控制器提供的所述旁路控制信号响应于一主机系统加电完成信号，当由所述主机提供的一主机电源电压低于一临界电平时，所述主机系统加电完成信号启用所述旁路器元件。
35.根据权利要求34所述的存储系统，其中当所述电源电压高于所述临界值时，所述调节器输出一低于所述主机电源电压的电压。
36.根据权利要求35所述的存储系统，其中当所述主机电源电压高于所述临界值时，所述调节器输出至少一第一或一第二输出电压。
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