FR2945876A1 - Dispositif de regulation d'un generateur a pompe de charges et procede de regulation correspondant - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif de régulation 1 configuré pour réguler une tension de sortie V d'un générateur de tension à pompe de charges 2, dans lequel le dispositif de régulation 1 comprend une première boucle de régulation 4 apte à élaborer et à délivrer à une première entrée du générateur de tension, une tension d'entrée V en fonction de la différence entre la tension de sortie V et une première tension de référence V , et un moyen de charge 3 apte à élaborer et à délivrer à une deuxième entrée du générateur de tension, une tension de charge V sensiblement constante. L'invention concerne également un dispositif électronique comprenant le dispositif de régulation d'un générateur à pompe de charges, ainsi qu'un procédé de régulation d'un générateur à pompe de charges.

Description

-GR1-322 B09/0927FR / FZ/GBO Société Anonyme dite : STMicroelectronics SA Dispositif de régulation d'un générateur à pompe de charges et procédé de régulation correspondant Invention de : Stéphane GAMET Joël DAMIENS Dispositif de régulation d'un générateur à pompe de charges et procédé de régulation correspondant

La présente invention concerne un dispositif de régulation de la tension de sortie d'un générateur de tension à pompe de charges. Les générateurs de tension à pompes de charge permettent de produire une tension électrique continue supérieure à une tension d'alimentation déterminée. Dans le domaine des circuits intégrés, on utilise des pompes de charges pour produire par exemple la haute tension Vpp d'effacement et programmation des transistors à grille flottante des mémoires effaçables et programmables électriquement (EEPROM, FLASH, FLASH-EEPROM...). Une pompe de charges est classiquement pilotée par des signaux d'horloge en opposition de phase fournis par un oscillateur. La pompe de charges comprend une pluralité d'étages de pompage en cascade dont la structure est bien connue de l'homme de l'art. La pompe de charges reçoit en entrée une tension d'alimentation Vc de l'ordre de 2 à 5 volts. L'amplitude de la tension de sortie Vpp dépend du nombre total d'étages de pompage en cascade et est par ailleurs proportionnelle à la tension Vc. Typiquement, pour programmer ou effacer une mémoire EEPROM, le générateur de tension à pompe de charges doit pouvoir fournir une tension de l'ordre de 15 à 18 V sous un courant de quelques dizaines de microampères. Si la tension appliquée à la mémoire est trop faible, les cellules mémoire programmées ou effacées sont dans un état incertain. Il en résulte que la mémoire ne sera pas fonctionnelle. Au contraire, si la tension appliquée à la mémoire est trop élevée, les transistors des cellules mémoire et de l'étage haute tension subissent inutilement un stress qui réduit la durée de vie de la mémoire (vieillissement des transistors, claquage des oxydes de grille des transistors à grille flottante, ...). Pour ces raisons, il est préconisé de limiter à environ 1 V les variations de la haute tension appliquée à la mémoire. Ces variations tiennent compte des variations de température, de la tension d'alimentation, de la consommation en sortie de la pompe de charges, et de la technologie de fabrication de la mémoire, de la fréquence de l'oscillateur, de la présence de résistances ou de capacités parasites, etc.

Or, la pompe de charges d'un générateur de tension est généralement prévue avec un nombre d'étages de pompage supérieur au nombre d'étages théoriquement suffisant, afin de pouvoir supporter une large gamme de tensions de fonctionnement et pour compenser l'impédance interne élevée de la pompe de charges. De ce fait, après une période de démarrage, la pompe de charges peut délivrer une tension Vpp supérieure au seuil VPPmaX au-delà duquel des transistors à effacer ou à programmer pourraient être endommagés. D'autre part, la tension d'alimentation Vc peut fluctuer fortement (plus ou moins 10%) par rapport à sa valeur nominale prise en compte lors de la conception de la pompe de charges, et une augmentation de la tension Vc peut entraîner une augmentation correspondante de la tension Vpp au-delà du seuil Vppmax. Un contrôle de la tension Vpp est prévu, afin de ne pas dépasser le seuil VPPmaX. Ce contrôle peut être assuré par un circuit de régulation de tension. Un tel circuit de régulation peut, par exemple, contrôler la fréquence de l'oscillateur pilotant la pompe de charges. L'oscillateur peut ainsi être un oscillateur commandé en tension et le circuit de régulation délivre alors une tension de commande en entrée de l'oscillateur. Cependant, un oscillateur commandé en tension présente une faible excursion en fréquence, et il est difficile de concevoir un tel oscillateur qui soit robuste aux variations de température ou de courant de charge. Par ailleurs, une telle solution présente également un bruit parasite à fréquence variable.

I1 est aussi possible de prévoir un circuit de régulation qui arrête ou active le générateur de tension selon que la tension à réguler est supérieure ou inférieure à une tension de consigne. Plus précisément, le circuit fournit un signal de commande à une entrée d'activation de l'oscillateur de la pompe de charges, en fonction de la comparaison entre la tension de sortie Vpp et une tension de référence. Cependant, la régulation effectuée par un tel circuit présente une réponse instantanée assez lente. En particulier, elle ne permet pas d'absorber une surtension transitoire au niveau de la sortie de la pompe de charges. Une surtension au niveau de la tension d'alimentation Vc peut entraîner un accroissement brutal de l'amplitude de l'un des signaux d'horloge. L'accroissement brutal risque d'être répercuté instantanément sous la forme d'une surtension, par la pompe de charges, sur la tension Vpp, principalement en raison du fait que la réaction de la pompe de charges à une commande d'arrêt n'est pas instantanée. I1 en résulte que la surtension qui apparaît ainsi dans la tension Vpp dépasse la tension de référence avant l'arrêt de la pompe de charges, et peut donc endommager le dipôle alimenté par la pompe de charges. De plus, une telle solution présente également un bruit parasite à fréquence variable. Enfin, il est également possible de prévoir un circuit de régulation qui commande l'efficacité de l'oscillateur afin de contrôler les transferts de charges. Cependant, en diminuant l'efficacité de l'oscillateur, on diminue également le rendement du circuit, ce qui implique des pertes énergétiques. Par ailleurs, la réponse en fréquence de la pompe de charges n'est pas linéaire, ce qui entraîne des difficultés de stabilité du circuit lorsqu'on utilise une boucle de contrôle. Selon un mode de réalisation, il est proposé un dispositif permettant d'obtenir rapidement la tension souhaitée, et présentant une meilleure stabilité. Selon un mode de réalisation, il est proposé un dispositif présentant une consommation de fonctionnement ainsi que des pertes énergétiques réduites.

A cet effet, selon un aspect, il est proposé un dispositif de régulation configuré pour réguler une tension de sortie d'un générateur de tension à pompe de charges, dans lequel le dispositif de régulation comprend une première boucle de régulation apte à élaborer et à délivrer à une première entrée du générateur de tension, une tension d'entrée en fonction de la différence entre la tension de sortie et une première tension de référence, et un moyen de charge apte à élaborer et à délivrer à une deuxième entrée du générateur de tension, une tension de charge sensiblement constante.

Grâce à une tension de charge sensiblement constante, il est possible de réguler la tension de sortie de la pompe de charges à partir de la tension d'entrée. En effet, les variations de la tension de charge étant réduites, les variations de la tension de sortie ne dépendent alors que des pertes dans le dispositif, et l'amplitude de variation de la tension d'entrée devient suffisante pour réguler la tension de sortie. Enfin, en contrôlant la tension de charge de la pompe de charges, on limite également de répercuter les variations de tension d'alimentation sur la tension de sortie de la pompe de charges. Selon un mode de réalisation, la première boucle de régulation comprend un premier comparateur et un premier régulateur apte à délivrer la tension d'entrée, le premier comparateur comportant une première entrée pour recevoir la tension de sortie du générateur de tension, une deuxième entrée pour recevoir la première tension de référence et une sortie pour délivrer un signal de comparaison au premier régulateur. La première boucle de régulation permet de commander la pompe de charges de façon à limiter l'écart entre la tension de sortie Vpp et la tension souhaitée représentée par la première tension de référence.

Selon un mode de réalisation, le moyen de charge comporte une entrée pour recevoir une tension d'alimentation pouvant varier entre une valeur inférieure et une valeur supérieure, et dans lequel le dispositif comprend également une deuxième boucle de régulation apte à délivrer une commande au moyen de charge en fonction de l'écart entre la tension de charge et une deuxième tension de référence inférieure à la valeur inférieure de la tension d'alimentation. La deuxième boucle de régulation permet d'obtenir une tension de charge sensiblement constante. Par ailleurs, le choix d'une tension de charge inférieure à la valeur inférieure de la tension d'alimentation permet de s'affranchir des variations de la tension d'alimentation sur la tension de charge. Dans ce cas, la deuxième boucle de régulation peut comprendre un deuxième comparateur et un deuxième régulateur apte à délivrer un signal de commande au moyen de charge afin de réduire l'écart entre la tension de charge et la deuxième tension de référence, le deuxième comparateur comportant une première entrée pour recevoir la deuxième tension de référence, une deuxième entrée pour recevoir la tension de charge délivrée par la sortie du moyen de charge et une sortie pour délivrer un signal de comparaison au deuxième régulateur. Préférentiellement, le dispositif comprend également un circuit de commutation commandé par un signal de commande pour appliquer comme deuxième tension de référence un premier niveau de tension en mode opérationnel du dispositif ou un deuxième niveau de tension en mode de veille du dispositif. Le circuit de commutation permet de mettre en veille le dispositif de pompe de charges, tout en limitant les pertes dans celui-ci. Selon un autre aspect, il est proposé un dispositif électronique comprenant un moyen d'alimentation délivrant une tension d'alimentation pouvant varier entre une valeur inférieure et une valeur supérieure, un générateur de tension à pompe de charges délivrant une tension de sortie et un dispositif de régulation tel que défini ci-avant alimenté par la tension d'alimentation et délivrant au générateur de tension une tension de charge et une tension d'entrée. Selon un autre aspect, il est proposé un procédé de régulation d'une tension de sortie d'un générateur de tension à pompe de charges, dans lequel on élabore et on délivre, à une première entrée du générateur de tension, une tension d'entrée régulée de manière à réduire l'écart entre la tension de sortie et une première tension de référence, et dans lequel on élabore et on délivre, à une deuxième entrée du générateur de tension, une tension de charge sensiblement constante.

L'invention sera mieux comprise à l'étude d'un mode de réalisation particulier, pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 illustre schématiquement un mode de réalisation du dispositif de régulation ; et - la figure 2 illustre schématiquement un exemple de dispositif électronique comprenant un tel dispositif de régulation. Sur la figure 1, on a représenté, de manière schématique, un dispositif 1 de régulation d'un générateur de tension à pompe de charges 2. Le dispositif de régulation 1 délivre une tension de charge Vc et une tension d'entrée VIN à la pompe de charges 2, de manière à obtenir, en sortie de la pompe de charges 2, une tension VPP souhaitée. Le générateur à pompe de charges 2 comprend un oscillateur et des étages capacitifs de charge successifs, pour fournir une tension de sortie VPP supérieure à la tension d'alimentation VDD et à la tension d'entrée VIN. De tels éléments de circuit sont bien connus de l'homme du métier. Plus précisément, les étages capacitifs de charge successifs peuvent être réalisés avec des capacités commutées. La tension d'entrée VIN est délivrée à une première entrée de la pompe de charge 2, ladite première entrée étant couplée à l'entrée du premier étage capacitif de charge. La tension de charge Vc est délivrée à une deuxième entrée de la pompe de charge 2, ladite deuxième entrée étant couplée aux différents étages capacitifs de charge. La tension de charge Vc permet de charger les capacités desdits étages. On considère dans la suite de la description, que le nombre d'étages capacitifs de la pompe de charges est n. Ainsi, la tension de sortie VPP est donnée par la somme de la tension d'entrée VIN et de n fois la tension de charge Vc, à laquelle sont soustraites les pertes : VPP = VIN + n.Vc û pertes. Les pertes sont notamment fonction : du courant de charge, de résistances ou capacités parasites, de la fréquence de l'oscillateur, de la température, etc.

Le dispositif de régulation 1 comprend un moyen de charge 3 et une première boucle de régulation 4. La première boucle de régulation 4 élabore et délivre à la pompe de charge 2, la tension d'entrée VIN. La tension d'entrée VIN est élaborée notamment de manière à compenser les pertes de la tension de sortie VPP. La première boucle de régulation 4 reçoit en entrée la tension de sortie VPP, une première tension de référence VREF1 et une tension d'alimentation VDD, et comprend un premier comparateur 5 et un premier régulateur 6. Le premier comparateur 5 reçoit la tension de sortie VPP et la première tension de référence VREF1, et délivre au premier régulateur un signal de comparaison représentatif de l'écart entre ces deux valeurs. Le premier comparateur 6 reçoit en entrée la tension d'alimentation VDD et le signal de comparaison, et fournit en sortie le signal d'entrée VIN dont la valeur est comprise entre 0 et la valeur de la tension d'alimentation VDD. En fonction du signal de comparaison, le premier régulateur 6 élabore alors le signal d'entrée VIN afin que l'écart déterminé par le premier comparateur diminue, c'est-à-dire afin que l'écart entre la tension de sortie VPP et la première tension de référence VREF1 diminue.

Le moyen de charge 3 élabore et délivre à la pompe de charge 2 la tension de charge Vc. En particulier, le moyen de charge 3 reçoit en entrée une tension d'alimentation VDD qui peut varier entre une valeur inférieure et une valeur supérieure. Comme les variations de la tension d'alimentation VDD peuvent atteindre jusqu'à 10% de la valeur nominale de la tension d'alimentation, celle-ci n'alimente pas directement la pompe de charges (dont la tension de sortie VPP dépend de la tension appliquée aux étages capacitifs), mais est délivrée en entrée du moyen de charge 3. Le moyen de charge 3 a pour but de délivrer une tension de charge Vc sensiblement constante à la pompe de charge 2, de manière à ce que la contribution des étages capacitifs (composante n.Vc) à la tension de sortie VPP varie peu dans le temps. Pour cela, la tension de charge Vc est choisie inférieure à la valeur inférieure de la tension d'alimentation VDD, et une deuxième boucle de régulation 7 est prévue pour réguler la tension de charge Vc.

La deuxième boucle de régulation 7 élabore et délivre au moyen de charge 3, un signal de commande. Le signal de commande est élaboré notamment de manière à diminuer les variations de la tension de charge Vc délivrée par le moyen de charge 3. La deuxième boucle de régulation 7 reçoit ainsi en entrée la tension de charge Vc et une deuxième tension de référence VREF2 (choisie inférieure à la valeur inférieure de la tension d'alimentation VDD), et comprend un deuxième comparateur 8 et un deuxième régulateur 9. Le deuxième comparateur 8 reçoit la tension de charge Vc et la deuxième tension de référence VREF2, et délivre au deuxième régulateur un signal de comparaison représentatif de l'écart entre ces deux valeurs. En fonction du signal de comparaison, le deuxième régulateur 9 élabore alors le signal de commande afin que de maintenir la tension de charge Vc à une valeur sensiblement constante.

On obtient ainsi, en sortie de la pompe de charges 2, une tension de sortie Vpp dont la composante capacitive (n.Vc) est sensiblement constante, et dont la composante d'entrée (VIN) compense les pertes. La tension de sortie VPP dépend donc moins des variations de la tension d'alimentation, et varie peu en fonction des pertes : la tension de sortie est régulée. La régulation de la tension de charge Vc permet d'éviter les surcharges de la pompe de charges, et donc les surtensions au niveau de la tension de sortie VPP. Enfin, comme la tension d'entrée VIN est régulée de manière à compenser les pertes, l'énergie consommée par le système correspond à celle demandée plus les pertes, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de perte due à une éventuelle surtension. Enfin, la régulation de la tension de sortie VPP par la tension d'entrée VIN, et non par la commande de l'oscillateur de la pompe de charges, permet d'obtenir un comportement pseudo-linaire du système, ce qui facilite son contrôle et sa stabilité. En particulier, on comprendra que la deuxième tension de référence, qui permet de réguler la tension de charge Vc, et le nombre n d'étages de charges de la pompe de charges 2 sont choisis de manière à ce que le produit de ces deux valeurs soit sensiblement inférieur à la tension de sortie Vpp souhaitée. La tension d'entrée VIN sera alors régulée de manière à être sensiblement supérieure aux pertes. Afin de diminuer les pertes durant les périodes d'inactivité, le dispositif de régulation comprend un circuit de commutation 10, pour appliquer comme deuxième tension de référence VREF2, un premier niveau de tension VREF21 en mode opérationnel ou un deuxième niveau de tension VREF22 en mode de veille. Ce circuit de commutation 10 est commandé par un signal de commande, qui est le signal de mise en veille du générateur de tension à pompe de charges 2, généré en interne par un circuit de contrôle. Ainsi, quand le signal de commande est inactif, ce qui signifie que le dispositif est en mode opérationnel, le niveau de tension appliqué comme deuxième tension de référence VREF2 est le premier niveau VREF21. La tension de sortie VPP, en sortie de la pompe de charges 2, est amenée et maintenue à une valeur élevée par le dispositif de régulation 1. En mode de veille, c'est le deuxième niveau VREF22 qui est appliqué comme tension de référence VREF2. La tension de sortie VPP, en sortie de la pompe de charges 2, est amenée et maintenue à une valeur faible, par exemple zéro. Dans ce dernier cas, seul le circuit de commutation et la deuxième boucle de régulation sont alimentées. Le reste du système, en particulier la pompe de charges 2, n'est plus alimenté et donc consomme moins d'énergie. On réduit donc les pertes énergétiques dans le système durant les périodes de veille. Le dispositif de régulation 1 peut ainsi être utilisé dans tout type de dispositif électronique 1l, tel que celui représenté sur la figure 2. Le dispositif électronique 11 comprend une alimentation 12 délivrant au dispositif de régulation 1 une tension d'alimentation VDD pouvant varier entre une valeur inférieure et une valeur supérieure. Le dispositif de régulation 1 délivre alors à une pompe de charges 2 une tension de charge Vc et une tension d'entrée VIN de manière à obtenir, en tension de sortie VPP, la valeur souhaitée.

Claims (7)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif de régulation (1) configuré pour réguler une tension de sortie (Vpp) d'un générateur de tension à pompe de charges (2), caractérisé en ce que le dispositif de régulation (1) comprend une première boucle de régulation (4) apte à élaborer et à délivrer à une première entrée du générateur de tension, une tension d'entrée (VIN) en fonction de la différence entre la tension de sortie (Vpp) et une première tension de référence (VREF1), et un moyen de charge (3) apte à élaborer et à délivrer à une deuxième entrée du générateur de tension, une tension de charge (Vc) sensiblement constante.
2. 2. Dispositif (1) selon la revendication précédente dans lequel la première boucle de régulation (4) comprend un premier comparateur (5) et un premier régulateur (6) apte à délivrer la tension d'entrée (VIN), le premier comparateur comportant une première entrée pour recevoir la tension de sortie (Vpp) du générateur de tension, une deuxième entrée pour recevoir la première tension de référence (VREF1) et une sortie pour délivrer un signal de comparaison au premier régulateur.
3. 3. Dispositif (1) selon l'une des revendications précédentes dans lequel le moyen de charge (3) comporte une entrée pour recevoir une tension d'alimentation (VDD) pouvant varier entre une valeur inférieure et une valeur supérieure, et dans lequel le dispositif comprend également une deuxième boucle de régulation (7) apte à délivrer une commande au moyen de charge en fonction de l'écart entre la tension de charge (Vc) et une deuxième tension de référence (VREF2) inférieure à la valeur inférieure de la tension d'alimentation (VDD).
4. 4. Dispositif (1) selon la revendication précédente dans lequel la deuxième boucle de régulation (7) comprend un deuxième comparateur (8) et un deuxième régulateur (9) apte à délivrer un signal de commande au moyen de charge (3) afin de réduire l'écart entre la tension de charge (Vc) et la deuxième tension de référence (VREF2), ledeuxième comparateur comportant une première entrée pour recevoir la deuxième tension de référence (VREF2), une deuxième entrée pour recevoir la tension de charge (Vc) délivrée par la sortie du moyen de charge (3) et une sortie pour délivrer un signal de comparaison au deuxième régulateur.
5. 5. Dispositif (1) selon la revendication précédente dans lequel le dispositif comprend également un circuit de commutation (10) commandé par un signal de commande pour appliquer comme deuxième tension de référence (VREF2) un premier niveau de tension (VREF21) en mode opérationnel du dispositif ou un deuxième niveau de tension (VREF22) en mode de veille du dispositif.
6. 6. Dispositif électronique (11) comprenant un moyen d'alimentation (12) délivrant une tension d'alimentation (VDD) pouvant varier entre une valeur inférieure et une valeur supérieure, un générateur de tension à pompe de charges (2) délivrant une tension de sortie (Vpp) et un dispositif de régulation (1) de la tension de sortie (Vpp) selon l'une des revendications 1 à 5 alimenté par la tension d'alimentation (VDD) et délivrant au générateur de tension une tension de charge (Vc) et une tension d'entrée (VIN).
7. 7. Procédé de régulation d'une tension de sortie (Vpp) d'un générateur de tension à pompe de charges (2), caractérisé en ce qu'on élabore et on délivre, à une première entrée du générateur de tension, une tension d'entrée (VIN) régulée de manière à réduire l'écart entre la tension de sortie (Vpp) et une première tension de référence (VREF1), et en ce qu'on élabore et on délivre, à une deuxième entrée du générateur de tension, une tension de charge (Vc) sensiblement constante.