DE102004058612A1

DE102004058612A1 - Spannungsversorgungsschaltung, insbesondere für eine DRAM-Speicherschaltung sowie ein Verfahren zum Steuern einer Versorgungsquelle

Info

Publication number: DE102004058612A1
Application number: DE102004058612A
Authority: DE
Inventors: Manfred Menke; Harald Lorenz; Helmut Seitz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Qimonda AG
Priority date: 2004-12-04
Filing date: 2004-12-04
Publication date: 2006-06-08
Also published as: US20060140039A1; US7379373B2; CN1811977A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spannungsversorgungsschaltung zum Bereitstellen einer internen Versorgungsspannung in einer integrierten Schaltung; DOLLAR A mit einer Versorgungsquelle zum Einstellen der internen Versorgungsspannung auf einer Versorgungsspannungsleitung; DOLLAR A mit einer Regelungsschaltung, die mit der Versorgungsquelle zum Ein- und Abschalten verbunden ist, und diese selbst aus- und regelmäßig wieder eingeschaltet werden kann, DOLLAR A wobei die Regelungsschaltung umfasst: DOLLAR A eine Steuereinheit, um die Versorgungsquelle einzuschalten und auszuschalten, dass die interne Versorgungsspannung auf der Versorgungsspannungsleitung aufgrund einer kapazitiven Ladungsspeicherung im Wesentlichen um nicht mehr als einen Grenzwert abweicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannungsversorgungsschaltung zum Bereitstellen einer internen Versorgungsspannung in einer integrierten Schaltung. Die Erfindung betrifft weiterhin eine integrierte DRAM-Speicherschaltung mit einer solchen Spannungsversorgungsschaltung. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Steuern einer Versorgungsquelle, insbesondere für eine integrierte Schaltung.

Zum Betrieb von integrierten Schaltungen, insbesondere Halbleiterspeicherbausteinen sind interne Versorgungsquellen vorgesehen, die festgelegte Versorgungspotentiale auf interne Versorgungsleitungen anlegen. Die Versorgungsquellen werden üblicherweise sowohl im Normalbetrieb als auch in einem Standby-Betrieb der integrierten Schaltung aktiv betrieben, um die in der jeweiligen Betriebsart notwendigen Versorgungsströme auf den internen Versorgungsleitungen bereitstellen zu können.

Insbesondere für mobile Anwendungen ist es wünschenswert, die Stromaufnahme einer integrierten Schaltung, insbesondere der im Standby-Betrieb zu reduzieren. Dies wird in der Regel durch ein Reduzieren von Leckströmen und durch eine verbesserte Schaltungstechnik erreicht.

Der Versorgungsstrom während des Standby-Betriebs hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, die es schwierig machen, die Höhe des Versorgungsstroms vorab bestimmen zu können. Beispielsweise werden die Versorgungsströme im Standby-Betrieb bei einer integrierten DRAM-Speicherschaltung durch das Auffrischen der Inhalte der Speicherzellen, Leckströme und für im Standby-Betrieb aktivierte analoge Komponenten hervorgerufen.

Daher werden Versorgungsquellen zum Generieren einer internen Versorgungsspannung, insbesondere für den Standby-Betrieb von integrierten Schaltungen so ausgelegt, dass sie den notwendigen Versorgungsstrom in jedem Betriebsmodus bereitstellen können. Die Effizienz solcher Versorgungsquellen bestimmt sich danach, welchen Maximalversorgungsstrom sie auf der internen Versorgungsleitung bereitstellen können und welche Gesamtstromaufnahme die Versorgungsquelle dafür aufweist. Eine Spannungsversorgungsschaltung, die zum Bereitstellen eines Versorgungsstroms für den Normalbetrieb ausgelegt ist, hat in der Regel einen schlechteren Wirkungsgrad beim Bereitstellen eines kleineren Standby-Stroms, da zum Betreiben der Versorgungsquelle ohne dass ein Laststrom auf der internen Versorgungsleitung vorliegt ein im Wesentlichen von dem Versorgungsstrom unabhängiger konstanter Betriebsstrom benötigt wird. Im Standby-Modus ist daher in der Regel die Spannungsversorgungschaltung zu groß ausgelegt. Dadurch ist die Stromaufnahme der integrierten Schaltung im Standby-Betrieb größer als sie bei optimaler Anpassung der Versorgungsquelle an den in dem Standby-Betrieb benötigten Strom sein müsste.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Spannungsversorgungsschaltung zum Bereitstellen einer internen Versorgungsspannung in einer integrierten Schaltung zur Verfügung zu stellen, die auf den Stromverbrauch in einer bestimmten Betriebsart angepasst ist und wobei der Versorgungsstrom effizient bereitgestellt wird. Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine integrierte DRAM-Speicherschaltung mit einer solchen Spannungsversorgungsschaltung zur Verfügung zu stellen.

Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Steuern einer Versorgungsquelle bereitzustellen, deren Stromaufnahme optimiert ist und die so ausgelegt ist, möglichst effizient einen Versorgungsstrom auf einer internen Versorgungsleitung zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird durch die Spannungsversorgungsschaltung nach Anspruch 1, den integrierten DRAM-Schaltungen nach den Ansprüchen 10 und 13 sowie durch das Verfahren nach Anspruch 14 gelöst.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Spannungsversorgungsschaltung zum Bereitstellen einer internen Versorgungsspannung in einer integrierten Schaltung vorgesehen. Die Spannungsversorgungsschaltung weist eine Versorgungsquelle auf, um die interne Versorgungsspannung auf einer Versorgungsspannungsleitung einzustellen. Es ist eine Regelungsschaltung mit der Versorgungsquelle so verbunden, das die Regelungsschaltung der Versorgungsquelle diese abschalten. Die Regelungsschaltung umfasst eine Steuereinheit, um die Versorgungsquelle so einzuschalten und auszuschalten, dass bei Fließen eines Versorgungsstroms die interne Versorgungsspannung auf der Versorgungsspannungsleitung aufgrund einer kapazitiven Ladungsspeicherung im Wesentlichen um nicht mehr als einen Grenzwert abweicht.

Die erfindungsgemäße Spannungsversorgungsschaltung kann also die Versorgungsquelle innerhalb der integrierten Schaltung ein- bzw. ausschalten, um die interne Versorgungsspannung auf der Versorgungsspannungsleitung bereitzustellen. Abhängig von dem Stromfluss auf der Versorgungsspannungsleitung ist es möglich, die Versorgungsquelle während einer Zeitdauer einzuschalten und anschließend abzuschalten, so dass die durch den Stromfluss abfließende Ladung auf der Versorgungsspannungsleitung während der Zeitdauer, in der die Versorgungsquelle eingeschaltet ist, von der Versorgungsquelle auf die Versorgungsspannungsleitung zu bringen. Dabei macht man sich zunut ze, dass die Versorgungsspannungsleitung eine Eigenkapazität aufweist und somit in der Lage ist, Ladungen zu speichern. Während die Versorgungsquelle ausgeschaltet ist, wird falls überhaupt erforderlich der benötigte Strom durch die gespeicherte Ladung auf der Versorgungsspannungsleitung bereitgestellt.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann die Regelungsschaltung eine Bestimmungseinheit umfassen, die bestimmt, ob eine Spannung mindestens in Höhe der internen Versorgungsspannung auf der Versorgungsspannungsleitung anliegt, und um die Versorgungsquelle auszuschalten, wenn die auf der Versorgungsspannungsleitung anliegende Spannung die interne Versorgungsspannung erreicht hat. Auf diese Weise wird die Versorgungsquelle zum Einstellen der internen Versorgungsspannung nur solange betrieben, bis die gewünschte interne Versorgungsspannung auf der Versorgungsspannungsleitung anliegt und anschließend abgeschaltet, um erst gemäß einem vorgegebenen Einschaltzeitpunkt wieder eingeschaltet zu werden, um die interne Versorgungsspannung erneut auf die gewünschte Spannung zu regeln.

Alternativ kann die Regelungsschaltung auch eine Zeitgeberschaltung umfassen, um die Versorgungsquelle nach einer vorgegebenen Zeitdauer nach dem Einschalten auszuschalten. Mit dieser Ausführungsform ist es möglich auf eine Bestimmungseinheit zum Bestimmen der Versorgungsspannung auf der Versorgungsleitung zu verzichten, wenn im Wesentlichen der maximale Stromfluss auf der Versorgungsleitung bekannt ist und die vorgegebene Zeitdauer zwischen dem Einschalten und Ausschalten so gewählt ist, dass trotz des benötigten Versorgungsstromes auf der Versorgungsleitung die Spannung auf der Versorgungsleitung sich während des ausgeschalteten Zustands der Versorgungsquelle nicht wesentlich abbaut.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Versorgungsquelle einen Abwärtsregler umfassen, dem eine externe Versor gungsspannung zugeführt wird und der die interne Versorgungsspannung erzeugt, die niedriger als die externe Versorgungsspannung ist. Alternativ kann die Versorgungsquelle eine Ladungspumpe umfassen, der eine externe Versorgungsspannung zugeführt wird, und die die interne Versorgungsspannung erzeugt, die höher als die externe Versorgungsspannung ist.

Bei der letztgenannten Alternative kann die Ladungspumpe einen Hilfsoszillator umfassen, der eine Betriebsfrequenz für die Ladungspumpe bereitstellt, wobei die Regelungsschaltung beim Einschalten der Versorgungsquelle den Hilfsoszillator mit der Ladungspumpe verbindet und beim Ausschalten den Hilfsoszillator von der Ladungspumpe trennt und diesen auch ausschalten kann, und ihn damit auch von der Versorgungsspannung abtrennt. Das Trennen des Hilfsoszillators von der Ladungspumpe hat den Vorteil, dass die Stromaufnahme der Ladungspumpe im Wesentlichen, d.h. bis auf Leckströme, vollständig abgeschaltet werden kann, da der Eigenstromverbrauch der Ladungspumpe im Wesentlichen durch Schaltvorgänge innerhalb der Ladungspumpen an Transistoren und dgl. benötigt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann eine Standby-Schaltung vorgesehen sein, um in einem Normalbetrieb die Versorgungsquelle dauerhaft einzuschalten und in einem Standby-Betrieb die Versorgungsquelle mithilfe der Regelungsschaltung zu steuern. Auf diese Weise kann eine Spannungsversorgungsschaltung sowohl zum Bereitstellen der internen Versorgungsspannung im Normalbetrieb als auch für den Standby-Betrieb mit einem reduzierten Strombedarf vorgesehen werden.

Es kann vorgesehen sein, dass mithilfe eines Pulsgebers das Einschalten periodisch durchgeführt wird, so dass die gewünschte Spannung auf der Versorgungsleitung in regelmäßigen Abständen wieder eingestellt wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine integrierte DRAM-Speicherschaltung mit einer derartigen Spannungsversorgungsschaltung vorgesehen. Die DRAM-Speicherschaltung kann ein Speicherzellenfeld und eine Auffrischschaltung aufweisen, um Inhalte von Speicherzellen periodisch gemäß einem von einem Auffrischtaktgeber bereitgestellten Auffrischtakt aufzufrischen, wobei der Pulsgeber mit dem Auffrischtaktgeber gekoppelt ist, um die Versorgungsquelle bei einem Auffrischen von Speicherzellen einzuschalten.

Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Pulsgeber das periodische Einschalten der Versorgungsquelle abhängig von einer Temperatur der integrierten Speicherschaltung einstellt. Dies ist sinnvoll, wenn der Stromfluss in einem Standby-Betrieb beispielsweise von der Temperatur abhängt, so dass bei einem erhöhten Leckstrom die Spannungsversorgungsschaltung häufiger eingeschaltet wird, um die interne Versorgungsspannung auf die gewünschte Spannung einzustellen, als bei einer Temperatur, die nur einen niedrigen Leckstrom zur Folge hat.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eine integrierte DRAM-Speicherschaltung mit mehreren Spannungsversorgungsschaltungen vorgesehen sein. Die mehreren Spannungsversorgungsschaltungen weisen mehrere Versorgungsquellen für mehrere Versorgungsspannungsleitungen auf und sind mit einer gemeinsamen Steuereinheit gekoppelt. Die Steuereinheit schaltet die mehreren Versorgungsquellen gleichzeitig aus, wenn entsprechende Ausschaltsignale für jede der mehreren Versorgungsquellen empfangen worden sind. Auf diese Weise kann der Flächenbedarf für die internen Spannungsversorgungsschaltung weiter reduziert werden, indem eine gemeinsame Steuereinheit für jede der mehreren Spannungsversorgungsschaltungen vorgesehen wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern einer Versorgungsquelle vorgesehen, wobei die Versorgungsquelle eine interne Versorgungsspannung an eine Versorgungsspannungsleitung anlegt. Die Versorgungsquelle wird so eingeschaltet und ausgeschaltet, dass beim Fließen eines Versorgungsstroms die interne Versorgungsspannung auf der internen Versorgungsleitung aufgrund einer kapazitiven Ladungsspeicherung im Wesentlichen nicht um mehr als einen Grenzwert abweicht. Es kann vorgesehen sein, dass zunächst bestimmt wird, ob eine Spannung mindestens in Höhe der gewünschten internen Versorgungsspannung auf der Versorgungsspannungsleitung anliegt und wobei die Versorgungsquelle abgeschaltet wird, wenn die auf der Versorgungsspannungsleitung anliegende Spannung die interne Versorgungsspannung erreicht hat.

Dadurch ist es möglich, in einem Betriebszustand mit reduziertem Strombedarf die Versorgungsquelle nicht dauerhaft zu betreiben. Die Zeitdauer, während der die Versorgungsquelle eingeschaltet wird, entspricht damit der Zeitdauer, die die Versorgungsquelle braucht, um das Potential auf der Versorgungsspannungsleitung auf das gewünschte Potential der internen Versorgungsspannung zu bringen.

Alternativ kann beispielsweise bei einem bekannten Strombedarf auf der Versorgungsspannungsleitung die Versorgungsquelle nach einer vorgegebenen Zeitdauer nach dem Einschalten ausgeschaltet werden, so dass die Versorgungsquelle für eine vorgegebene Zeitdauer eingeschaltet ist, um die Versorgungsspannungsleitung auf das Potential der internen Versorgungsspannung aufzuladen.

Es kann eine Betriebsfrequenz für den Betrieb der Versorgungsquelle, die als Ladungspumpe ausgebildet sein kann, bereitgestellt werden, wobei beim Einschalten der Versorgungsquelle die Betriebsfrequenz an die Versorgungsquelle angelegt wird und beim Ausschalten die Betriebsfrequenz von der Versorgungsquelle getrennt wird.

Die Versorgungsquelle kann in einem Normalbetrieb dauerhaft eingeschaltet werden und in einem Standby-Betrieb die Versorgungsquelle abhängig von dem Einschaltsignal und von dem Ausschaltsignal eingeschaltet und ausgeschaltet werden.

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Spannungsversorgungsschaltung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

2 eine Spannungsversorgungsschaltung mit einer Ladungspumpe gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

3 eine integrierte Schaltung mit zwei Spannungsversorgungsquellen, die über eine gemeinsame Steuereinheit angesteuert werden; und

4 eine integrierte DRAM-Speicherschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

In 1 ist eine Spannungsversorgungsschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Spannungsversorgungsschaltung umfasst eine Versorgungsquelle 1, die eine externe Versorgungsspannung V_EXT in eine interne Versorgungsspannung V_INT wandelt. Die Versorgungsquellen dienen dazu, eine mit Störungen und Spannungsschwankungen behaftete externe Versorgungsspannung V_EXT in eine geregelte interne Versorgungsspannung V_INT umzuwandeln, die im Wesentlichen von den Spannungsschwankungen der externen Versorgungsspannung unabhängig konstant gehalten wird.
Die in 1 dargestellte Versorgungsquelle 1 umfasst einen (nicht gezeigten) Abwärtsregler, d. h. die interne Versorgungsspannung V_INT ist niedriger als die externe Versorgungsspannung V_EXT. Die Versorgungsquelle 1 weist einen Steueranschluss 2 auf, an dem ein Steuersignal über eine Steuerleitung angelegt werden kann, um die Versorgungsquelle 1 und den Vergleicher 5 ein- bzw. auszuschalten. Die Versorgungsquelle wird im eingeschalteten Zustand mit der externen Versorgungsspannung V_EXT versorgt und regelt eine Spannung auf einer internen Versorgungsspannungsleitung 3 so ein, dass sie der gewünschten internen Versorgungsspannung V_INT entspricht. Im ausgeschalteten Zustand ist die Versorgungsquelle im Wesentlichen stromlos geschaltet und benötigt im Wesentlichen keinen Betriebsstrom, wobei ein Ausgangsanschluss für die interne Versorgungsspannung hochohmig geschaltet ist, so dass keine Ladung durch die Versorgungsquelle 1 abfließen kann.
Die Versorgungsquelle 1 ist so ausgelegt, um in einem Normalbetrieb bei einem maximalen Strombedarf auf der internen Versorgungsspannungsleitung 3 ausreichend Strom zur Verfügung zu können. Bei Betriebszuständen, bei denen weniger Strom über die interne Versorgungsspannungsleitung 3 gezogen wird, wird in der Regel bei Spannungsversorgungsschaltungen nach dem Stand der Technik die Versorgungsquelle 1 dauerhaft betrieben. Die Versorgungsquellen weisen jedoch darin einen Eigenstromverbrauch auf, der im Wesentlichen nicht von dem Strom auf der internen Versorgungsspannungsleitung 3 abhängt. Insbesondere bei einem Standby-Betrieb der integrierten Schaltung, in die die Spannungsversorgungsschaltung eingesetzt ist, wird auf der internen Versorgungsspannungsleitung 3 ein geringerer oder gar kein Strom gezogen, so dass der Stromverbrauch der gesamten integrierten Schaltung in erheblich größerem Maße durch den Eigenbedarf der betriebenen Versorgungsquellen bestimmt wird.
Es ist daher erfindungsgemäß vorgesehen, um den Gesamtstromverbrauch einer integrierten Schaltung in einem Betriebszustand mit geringer Stromaufnahme zu reduzieren, die Versorgungsquelle 1 nicht dauerhaft eingeschaltet zu lassen, sondern vorzugsweise zyklisch gemäß einem Frequenzsignal o.ä. ein- und auszuschalten. Dabei wird die Eigenkapazität der internen Versorgungsspannungsleitung 3 und/oder eine daran vorgesehene zusätzliche Kapazität genutzt, um die interne Versorgungsspannung kurzzeitig zu speichern. Die Versorgungs quelle 1 lädt dabei die Versorgungsspannungsleitung 3 auf das interne Versorgungspotential V_INT auf und wird anschließend abgeschaltet, wobei der weitere Strombedarf aus der gespeicherten Ladung gedeckt wird.
Die Steuerung zum Schalten der Versorgungsquelle 1 erfolgt über den Steueranschluss 2 mithilfe einer Regelungsschaltung 4. Die Regelungsschaltung 4 umfasst einen Vergleicher 5, der mit einem Eingang mit der internen Versorgungsspannungsleitung 3 und mit einem zweiten Eingang mit einem Referenzpotential V_Ref verbunden ist. Der Vergleicher 5 hat die Aufgabe, die Spannung auf der internen Versorgungsspannungsleitung 3 zu überprüfen und ein Erreichen einer durch das Referenzpotential V_REF angegebenen Schwellspannung durch Ausgabe einer logischen „1" an einem Ausgang des Vergleichers 5 anzuzeigen. Der Vergleicher 5 kann wahlweise ebenfalls einen Steueranschluss (nicht gezeigt) aufweisen, um abhängig von einem Steuersignal eingeschaltet oder ausgeschaltet werden zu werden.
Der Ausgang des Vergleichers 5 ist mit einem Rücksetzeingang R eines SR-Flip-Flops 6 verbunden. Der Setzeingang des SR-Flip-Flops 6 ist mit einer Pulsquelle 7 verbunden, die in regelmäßigen Zeitabständen einen Trigger-Impuls an den Setzeingang S sendet. Der Trigger-Impuls bewirkt, dass ein Ausgang des SR-Flip-Flops 6 einen High-Pegel annimmt. Der Ausgang des SR-Flip-Flops 6 ist mit der Versorgungsquelle 1 und optional mit dem Vergleicher 5 verbunden, so dass die Versorgungsquelle 1 und optional der Vergleicher 5 abhängig von dem Ausgangssignal eingeschaltet wird. Die Versorgungsquelle 1 liefert in ausgeschaltetem Zustand die interne Versorgungsspannung V_INT auf der Versorgungsspannungsleitung 3 und lädt diese auf, wenn die auf der Versorgungsspannungsleitung 3 anliegende Spannung davon abweicht. Stellt der Vergleicher 5 fest, dass die Spannung auf der Versorgungsleitung 3 das Referenzpotential V_Ref erreicht oder überschritten hat, so gibt dieser einen High-Pegel an den Rücksetzvorgang R aus, der das SR- Flip-Flop 6 zurücksetzt. Der Ausgang Q des SR-Flip-Flops 6 nimmt dann einen Low-Pegel an, der die Versorgungsquelle 1 (und den Vergleicher 5) ausschaltet. Die Versorgungsquelle 1 (und der Vergleicher 5) bleibt ausgeschaltet, bis zum nächsten Trigger-Impuls (High-Pegel) des Pulsgebers 7.
Das Referenzpotential V_REF kann beispielsweise dem Potential der internen Versorgungsspannung V_INT entsprechen, so dass mit Erreichen der internen Versorgungsspannung V_INT die Versorgungsquelle 1 (und der Vergleicher 5) abgeschaltet wird. Das Referenzpotential V_Ref kann auch um einen Toleranzwert von der gewünschten internen Versorgungsspannung abweichen. Die Versorgungsquelle 1 (und der Vergleicher 5) wird erst wieder beim nächsten Trigger-Impuls von der Pulsquelle 7 eingeschaltet. Eine solche Betriebsart der Versorgungsquelle 1 ist sinnvoll, wenn ein reduzierter Strom von der Versorgungsspannungsleitung 3 gezogen wird und sich die interne Versorgungsspannung zwischen dem Abschalten und dem Einschalten der Versorgungsquelle 1 aufgrund der Kapazität und des Ladungsabflusses nicht wesentlich abbaut, d.h. die Differenz zu dem Nennwert der internen Versorgungsspannung V_INT einen Grenzwert nicht überschreitet. Der Trigger-Impuls des Pulsgebers 7 ist daher mit seiner Frequenz auf die Eigenkapazität der Versorgungsspannungsleitung 3 und/oder die Treiberfähigkeit der Versorgungsquelle 1 angepasst, so dass während der Zeitdauer, in der die Versorgungsquelle 1 (und der Vergleicher 5) abgeschaltet ist, die interne Versorgungsspannung durch den fließenden Strom nicht wesentlich abgebaut wird und nicht unter einen vorgebbaren Grenzwert fällt. Bei der Dimensionierung der Frequenz des Pulsgebers 7 bzw. der Versorgungsspannungsleitung 3 kann dazu beispielsweise eine Schwellspannung vorgesehen werden, die die Spannung auf der Versorgungsleitung 3 während des abgeschalteten Zustandes der Versorgungsquelle 1 aufgrund des Ladungsabflusses nicht erreichen darf. Hierzu ist der Vergleicher 5 nicht während der Abschaltphase der Versorgungsquelle 1 abzuschalten.
In 2 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsversorgungsschaltung dargestellt. Die Ausführungsform der 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform der 1 dadurch, dass die Versorgungsquelle 1 einen Aufwärtsregler darstellt, der beispielsweise in Form einer Ladungspumpe 10 ausgebildet ist. Die mit den gleichen Bezugszeichen versehenen Elemente entsprechen im Wesentlichen Elementen gleicher Funktion.
Ladungspumpen werden in der Regel zyklisch betrieben, und es wird daher ein Hilfstaktsignal benötigt, um in einer ersten Phase eine Pumpkapazität aufzuladen und in einer zweiten Phase die Anschlusspotentiale der Pumpkapazität zu verändern, um eine bezüglich der Versorgungsspannungen erhöhte bzw. erniedrigte Ausgangsspannung zu erhalten.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird dieses Hilfstaktsignal über ein UND-Gatter 11 an den Steueranschluss 2 der Ladungspumpe 10 angelegt. Abhängig von dem Signal am Ausgang des SR-Flip-Flops 6 wird das UND-Gatter 11 durchgeschaltet oder gesperrt, so dass mit dem Einschaltsignal das Hilfstaktsignal HCLK an die Ladungspumpe 10 angelegt wird und mit dem Ausschaltsignal, d. h. den Low-Pegel am Ausgang des SR-Flip-Flops 6, auch der Ausgang des UND-Gatters 11 auf einen Low-Pegel übergeht, so dass die Ladungspumpe 10 kein Hilfstaktsignal mehr erhält und somit kein Pumpvorgang in der Ladungspumpe 10 durchgeführt wird. Erhält die Ladungspumpe 10 kein Hilfstaktsignal HCLK, so nimmt die Ladungspumpe 10 im Wesentlichen keinen Strom mehr auf, so dass der Stromverbrauch deutlich reduziert werden kann. Die Regelungsschaltung 4 ist bei der Ausführungsform nach 2 im Wesentlichen identisch zu der der Ausführungsform der 1 ausgebildet. Der Ausgang des SR-Flip-Flops 6 kann wie in 1 ebenso zur Steuerung des Vergleichers 5 genutzt werden. Lediglich ist zusätzlich ein Spannungswandler 12 vorgesehen, der die erhöhte interne Versorgungsspannung V_INT auf einen Spannungspegel innerhalb des Versorgungsspannungsbereichs gemäß einer vorge gebenen Abhängigkeit reduziert, damit die erhöhte interne Versorgungsspannung V_INT mit einem intern bereitgestellten Referenzpotential V_Ref vergleichbar ist.
Anstelle der gezeigten Regelungsschaltung 4 kann die Versorgungsquelle 1 auch in regelmäßig definierten Abständen für eine bestimmte Zeitdauer eingeschaltet werden, wenn festgelegt ist, dass der über die interne Versorgungsspannungsleitung 3 abfließende Ladung nicht größer ist, als die während der Einschaltzeiten der Versorgungsquelle 1 bereitgestellte Ladung.
Weiterhin kann die Zeitsteuerung zum Festlegen der Einschalt- und Ausschaltzeiten bzw. der Einschaltdauer der Versorgungsquelle 1 auch temperaturabhängig ausgelegt sein, wobei die Einschaltzeitdauer gemäß der Temperatur der integrierten Schaltungen in der die Spannungsversorgungsschaltung betrieben wird, eingestellt wird. Dies ist sinnvoll, da das Leckstromverhalten von mit der internen Versorgungsspannung V_INT versorgten Schaltkreisen bzw. der Versorgungsspannungsleitung 3 zum Teil erheblich von der Temperatur abhängen kann.
In 3 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Spannungsversorgungsschaltung weist zwei Versorgungsquellen 21, 22 auf, denen dieselbe externe Versorgungsspannung V_EXT oder verschiedene externe Versorgungsspannungen V_EXT1, V_EXT2 zugeführt werden. Die erste Versorgungsquelle 21 generiert beispielsweise eine erste interne Versorgungsspannung V_INT1 und die zweite Versorgungsquelle 22 eine zweite interne Versorgungsspannung V_INT2. Es ist eine gemeinsame Regelungsschaltung 23 vorgesehen, die ein für beide Versorgungsquellen 21, 22 identisches Steuersignal an deren Steueranschlüssen ausgibt. Das Steuersignal liegt an dem Ausgang des SR-Flip-Flops 6 an, dessen Setzeingang, wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen erläutert, mit einem Pulsgeber 7 gekoppelt ist. Der Pulsgeber 7 generiert den periodischen Trigger-Impuls, um das SR-Flip-Flop 6 zu setzen und da durch den Ausgang des SR-Flip-Flops 6 auf einen High-Pegel zu ziehen, wodurch die Versorgungsquellen 21, 22 und optional die zwei Vergleicher 24 und 25, wenn diese schaltbar vorgegeben sind, eingeschaltet werden.
Die Regelungseinheit weist einen ersten Vergleicher 24 und einen zweiten Vergleicher 25 auf, die mit der ersten internen Versorgungsspannungsleitung 26 bzw. mit der zweiten Versorgungsspannungsleitung 27 verbunden sind. Der erste Vergleicher 24 ist mit einem weiteren Eingang mit einem ersten Referenzpotential V_Ref1 und ein weiterer Eingang des zweiten Vergleichers 25 mit einem zweiten Referenzpotential V_Ref2 verbunden. Die Referenzpotentiale V_Ref1, V_Ref2 entsprechen den gewünschten internen Versorgungsspannungspotentialen V_INT1, V_INT2 auf der ersten bzw. zweiten Versorgungsspannungsleitung 26, 27 bzw. sind um einen vorgegebenen Differenzwert von diesem verschieden. Die Ausgänge der Vergleicher 24, 25 sind mit Eingängen eines UND-Gatters 28 verbunden. Ein Ausgang des UND-Gatters 28 ist mit dem Rücksetzeingang des SR-Flip-Flops 6 verbunden. Die in dieser Ausführungsform dargestellte Regelungsschaltung 23 hält die Versorgungsquellen 21, 22 (und die zwei Vergleicher 24 und 25) solange eingeschaltet, bis im Wesentlichen die jeweilige interne Versorgungsspannung V_INT1, V_INT2 auf jeder der Versorgungsspannungsleitungen 26, 27 erreicht ist.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel umfasst lediglich zwei Versorgungsquellen 21, 22. Es ist jedoch auch möglich, beliebig viele Versorgungsquellen mit einer einzigen Regelungsschaltung 23 zu verbinden, die dann eine entsprechende Anzahl von Vergleichern aufweist, um zu überprüfen, ob die jeweilige interne Versorgungsspannung auf der jeweiligen Versorgungsspannungsleitung erreicht worden ist.
Bei Verwendung eines schaltbaren Vergleichers muss nach dem Einschalten der Vorsorgungsquelle und des Vergleichers sichergestellt werden, dass eine ausreichende Zeit zur Verfü gung gestellt wird, um dem Vergleicher genügend Zeit zu geben, in einen eingeschwungenen Zustand zu gelangen, so dass dieser eindeutig entscheiden kann, ob die Versorgungsquelle Ladung auf die Versorgungsspannungsleitung liefern muss.
Die Ausführungsform der 3 ist mit als Abwärtsregler ausgebildeten Versorgungsquellen 21, 22 dargestellt. Selbstverständlich kann entsprechend der Ausführungsform der 2 als Versorgungsquellen auch Ladungspumpen vorgesehen werden, die dann abhängig von dem an dem Ausgang des SR-Flip-Flops anliegenden Steuersignal ein entweder gemeinsames oder separat generiertes Hilfstaktsignal HCLK zugeführt wird, oder nicht.
Die Ausführungsform der 4 zeigt ein Blockschaltbild einer integrierten Speicherschaltung mit einem Speicherzellenfeld 31, vorzugsweise einem DRAM-Speicherzellenfeld. DRAM-Speicherzellen (nicht gezeigt) in dem DRAM-Speicherzellenfeld 31 müssen in vorgegebenen Abständen aufgefrischt werden, in dem die darin befindlichen Daten ausgelesen und erneut hineingeschrieben werden. Das Auffrischen erfolgt mithilfe einer Auffrischschaltung 32, die mit dem Speicherzellenfeld 31 verbunden ist. Die Auffrischschaltung 32 generiert in regelmäßigen Abständen ein Auffrischsignal, das der Regelungsschaltung 35 als Trigger-Impuls an den Setzeingang des SR-Flip-Flops 6 angelegt ist. Da insbesondere beim Auffrischen der Speicherzellen der größte Stromfluss auf der internen Versorgungsspannungsleitung 34 erfolgt, ist es sinnvoll, dass die Versorgungsquelle 33 während des Auffrischens der Speicherzellen eingeschaltet ist. Die Regelungsschaltung 35 arbeitet im Wesentlichen vergleichbar zu den Ausführungsformen der 1 und 2 kann jedoch auch eine zeitgesteuerte Regelung enthalten, so dass nach dem Empfangen des Auffrischsignals die Versorgungsquelle 33 und optional der Vergleicher für eine vorgegebene Zeitdauer eingeschaltet bleibt und anschließend ausgeschaltet wird, bis erneut eine entsprechende Flanke des Auffrischsignals empfangen wird.
Ferner kann eine Standby-Schaltung 36 vorgesehen sein, die ein Betriebsmodussignal MOD generiert, um an die Versorgungsquelle 33 abhängig von dem Betriebsmodus entweder dauerhaft einen High-Pegel anzulegen, um die Versorgungsquelle dauerhaft einzuschalten oder die Versorgungsquelle 33 mit der Regelungsschaltung 35 zu verbinden, um in einem Stromsparmodus betrieben zu werden, in dem die interne Versorgungsspannung für einen reduzierten Stromabfluss erzeugt wird. Vorzugsweise wird der Stromsparmodus eingenommen, wenn sich die integrierte Schaltung in einem Standby-Betrieb befindet. Bei integrierten Speicherschaltungen kann dieser Standby-Betrieb durch das Signal CS (Chip select) angezeigt werden, wenn die integrierte Speicherschaltung nicht zum Schreiben oder Auslesen von Daten selektiert ist.
Damit aufgrund der Regelung durch die Regelungseinrichtung 4, 23, 35 keine starken Spannungsschwankungen der internen Versorgungsspannung V_INT auf der Versorgungsspannungsleitung 3, 26, 27, 34 hervorgerufen wird, können die Versorgungsspannungsleitungen 3, 26, 27, 34 mit einer Kapazität gekoppelt sein, die die Gesamtkpazität der Versorgungsspannungsleitung 3, 26, 27, 34 erhöht und somit eine größere Ladungsspeicherung ermöglicht.

1: Versorgungsquelle
2: Steueranschluss
3: Versorgungsspannungsleitung
4: Regelungsschaltung
5: Vergleicher
6: SR-Flip-Flop
7: Pulsgeber
10: Ladungspumpe
11: UND-Gatter
12: Spannungspegelwandler
21: Versorgungsquelle
22: Versorgungsquelle
23: Regelungsschaltung
24: erster Vergleicher
25: zweiter Vergleicher
26: erste Versorgungsspannungsleitung
27: zweite Versorgungsspannungsleitung
28: UND-Gatter
31: Speicherzellenfeld
32: Auffrischschaltung
33: Versorgungsquelle
34: Versorgungsspannungsleitung
35: Regelungsschaltung
36: Standby-Einheit
V_EXT: externe Versorgungsspannung
V_INT: interne Versorgungsspannung
V_Ref: Referenzpotential
R: Rücksetzeingang
Q: Ausgang des SR-Flip-Flops
HCLK: Hilfstaktsignal
MOD: Betriebsmodussignal

Claims

Spannungsversorgungsschaltung zum Bereitstellen einer internen Versorgungsspannung in einer integrierten Schaltung; mit einer Versorgungsquelle (1) zum Einstellen der internen Versorgungsspannung (V_INT) auf einer Versorgungsspannungsleitung (3); mit einer Regelungsschaltung (4), die mit der Versorgungsquelle (1) zum Ein- und Abschalten verbunden ist, wobei die Regelungsschaltung umfasst: eine Steuereinheit, um die Versorgungsquelle einzuschalten und auszuschalten, dass bei Fließen eines Versorgungsstroms auf der Versorgungsspannungsleitung (3) die interne Versorgungsspannung auf der Versorgungsspannungsleitung aufgrund einer kapazitiven Ladungsspeicherung im Wesentlichen um nicht mehr als einen Grenzwert abweicht.
Spannungsversorgungsschaltung nach Anspruch 1, wobei die Regelungsschaltung (4) eine Bestimmungseinheit (5) umfasst, die bestimmt, ob eine Spannung mindestens in Höhe der internen Versorgungsspannung (V_INT) auf der Versorgungsspannungsleitung (3) anliegt, und um die Versorgungsquelle auszuschalten, wenn die auf der Versorgungsspannungsleitung (3) anliegende Spannung die interne Versorgungsspannung (V_INT) erreicht hat.
Spannungsversorgungsschaltung nach Anspruch 1, wobei die Regelungsschaltung (4) eine Zeitgeberschaltung umfasst, um die Versorgungsquelle nach einer vorgegebenen oder von einem Parameter abhängigen Zeitdauer nach dem Einschalten auszuschalten.
Spannungsversorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Versorgungsquelle (1) einen Abwärtsregler umfasst, dem eine externe Versorgungsspannung (V_EXT) zugeführt wird und der die interne Versorgungsspannung (V_INT) erzeugt, die niedriger als die externe Versorgungsspannung (V_EXT) ist.
Spannungsversorgungsschaltung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Versorgungsquelle (10) eine Ladungspumpe umfasst, der eine externe Versorgungsspannung (V_EXT) zugeführt wird und die die interne Versorgungsspannung (V_INT) erzeugt, die höher als die externe Versorgungsspannung (V_EXT) ist.
Spannungsversorgungsschaltung nach Anspruch 5, wobei die Ladungspumpe einen Hilfsoszillator umfasst, der eine Betriebfrequenz (MCLK) für die Ladungspumpe bereitstellt, wobei die Regelungsschaltung (4) beim Einschalten der Versorgungsquelle (10) den Hilfsoszillator mit der Ladungspumpe verbindet und beim Ausschalten den Hilfsoszillator von der Ladungspumpe trennt.
Spannungsversorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Standby-Schaltung (36) vorgesehen ist, um in einem Normalbetrieb die Versorgungsquelle (33) dauerhaft einzuschalten, und in einem Standby-Betrieb die Versorgungsquelle (33) mit Hilfe der Regelungsschaltung (35) zu steuern.
Spannungsversorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Pulsgeber (7) vorgesehen ist, um das Einschalten der Versorgungsquelle durchzuführen.
Spannungsversorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Regelungsschaltung ganz oder teilweise gleichzeitig mit der Versorgungsquelle (1) ausschaltbar ist.
Integrierte DRAM-Speicherschaltung mit einer Spannungsversorgungsschaltung nach Anspruch 8.
Integrierte DRAM-Speicherschaltung nach Anspruch 10 mit einer Auffrischschaltung (32), um Inhalte von Speicherzellen periodisch gemäß einem von einem Auffrischtaktgeber bereitgestellten Auffrischtakt aufzufrischen, wobei der Pulsgeber mit dem Auffrischtaktgeber gekoppelt ist, um die Versorgungsquelle (33) bei einem Auffrischen von Speicherzellen einzuschalten.
Integrierte DRAM-Speicherschaltung nach Anspruch 10, wobei der Pulsgeber das periodische Einschalten der Versorgungsquelle abhängig von einer Temperatur einstellt.
Integrierte DRAM-Speicherschaltung mit mehreren Spannungsversorgungsschaltungen nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit mehreren Versorgungsquellen (21, 22) für mehrere Versorgungsspannungsleitungen (26, 27) und mit einer gemeinsamen Steuereinheit, wobei die Steuereinheit die mehreren Versorgungsquellen gleichzeitig ausschaltet, wenn Ausschaltsignale für jede der mehreren Versorgungsquellen (21, 22) empfangen worden sind.
Verfahren zum Steuern einer Versorgungsquelle, wobei die Versorgungsquelle eine interne Versorgungsspannung (V_INT) an eine Versorgungsspannungsleitung (3) anlegt; wobei die Versorgungsquelle (1) so eingeschaltet und ausgeschaltet wird, dass die interne Versorgungsspannung auf der Versorgungsspannungsleitung aufgrund einer kapazitiven Ladungsspeicherung im Wesentlichen um nicht mehr als einen Grenzwert abweicht.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei bestimmt wird, ob eine Spannung mindestens in Höhe der gewünschten internen Versorgungsspannung auf der Versorgungsspannungsleitung anliegt, und wobei die Versorgungsquelle (10) ausgeschaltet wird, wenn die auf der Versorgungsspannungsleitung anliegende Spannung die interne Versorgungsspannung erreicht hat.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Versorgungsquelle nach einer vorgegebenen Zeitdauer nach dem Einschalten ausgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei eine Betriebfrequenz für den Betrieb der Versorgungsquelle (10) bereitgestellt wird, wobei beim Einschalten der Versorgungsquelle die Betriebsfrequenz (MCLK) an die Versorgungsquelle (10) angelegt wird und beim Ausschalten die Betriebsfrequenz (MCLK) von der Versorgungsquelle getrennt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei eine in einem Normalbetrieb die Versorgungsquelle dauerhaft eingeschaltet wird, und in einem Standby-Betrieb die Versorgungsquelle abhängig von dem Einschaltsignal und von dem Ausschaltsignal eingeschaltet und ausgeschaltet wird.