KR100571278B1 - 전압 상승 컨버터 - Google Patents

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Abstract

외부 전원보다 높은 내부 전원을 생성하기 위해 상기 내부 전원의 레벨을 디텍트 하기 위한 디텍터; 상기 디텍터의 출력에 따라 하이 레벨의 폭과 로우 레벨의 폭이 다른 주파수를 생성하는 비대칭 오실레이터; 및 상기 비 대칭 오실레이트의 출력에 따라 펌핑 동작하여 상기 내부 전원을 생성하는 펌프를 포함하는 전압 상승 컨버터가 개시된다.
링 오실레이터, 트리플러

Description

전압 상승 컨버터{Voltage up converter}
도 1 은 종래 기술에 따른 전압 상승 컨버터의 블록도이다.
도 2 는 도 1의 동작을 설명하기 위한 파형도이다.
도 3 은 도 1의 제 1 및 제 2 펌프의 상세 회로도이다.
도 4 는 본 발명에 따른 전압 상승 컨버터에 채용된 오실레이터의 상세 회로도이다.
도 5 는 본 발명에 따른 전압 상승 컨버터에 채용된 컨트롤러의 상세 회로도이다.
도 6 은 본 발명에 따른 전압 상승 컨버터의 동작을 설명하기 위한 파형도이다.
도 7 은 도 4 의 인버터의 상세 회로도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100: 디텍터 200: 비대칭 오실레이터
300: 컨트롤러 400a 및 400b: 제 1 및 제 2 펌프
본 발명은 전압 상승 컨버터에 관한 것으로 특히, 전압 상승 효율을 높일 수 있는 전압 상승 컨버터에 관한 것이다.
일반적으로 전압 상승 컨버터(Voltage Up Converter)는 낮은 외부 전원을 이용하여 그 보다 높은 내부 전원 레벨을 갖는 전원 전압을 만든다. 이하, 외부 전원은 VDD, 내부 전원은 VPP로 칭하기로 한다.
종래에는 VDD 자체의 전원 레벨이 높았다. 따라서 높은 내부 전원을 만들기 위해 더블러(외부 전원의 2배 만큼 높은 전원을 만들 수 있는 펌프)면 충분하였다. 예를 들어 2.5V의 VDD를 이용하여 3V의 VPP 전원 레벨을 만들 경우 더블러면 충분했다.
하지만, 점차 외부 전원 자체가 낮아지면서 더블러로서는 높은 내부 전원을 만들기가 어려워져 트리플러(외부 전원의 3배 만큼 높은 전원을 만들 수 있는 펌프)가 등장하게 되었다. 예를 들어 1.5V의 외부 전원을 이용하여 3.5V의 내부 전원을 만들 경우, 더블러로서는 불가능하고 트리플러를 이용해야만 했다.
일반적으로 트리플러를 채용한 전압 상승 컨버터가 도 1에 도시되어 있다. 도 1의 동작을 도 2를 참조하여 설명하기로 한다.
디텍터(10)에서 VPP 전위를 검출하여 특정 전위보다 낮은 경우 스타트 신호(start)신호를 출력한다. 스타트 신호(start)에 따라 오실레이터(20)가 동작하여 도 2에 되시된 바와 같이 일정한 주기를 갖는 신호(OSC)가 생성된다. 오실레이터(20)에서 출력되는 신호(OSC)에 따라 컨트롤러(30)가 동작하여 도 2에 도시된 바와 같은 제 1 및 제 2 제어 신호(control 1 및 control 2)가 생성된다. 제 1 및 제 2 제어 신호(control 1 및 control 2)에 따라 펌프(40)에서 VPP 전원을 생성하는데 펌프(40)의 상세 구성은 도 3과 같다. 도 3 의 동작을 설명하기로 한다.
외부 제어 신호(t1)가 하이 상태로 인에이블되면 제 1 펌프(40a)의 트랜지스터(TR0)가 턴온되므로 부트 노드(boot)가 VDD 전원으로 차지된다. 외부 제어 신호(t1)가 로우 상태로 디스에이블되고 제 1 제어 신호(control 1)가 오실레이터(20)의 출력 신호(OSC)의 라이징 에지에서 인에이블된다. 그러므로 제 1 펌프(40a)가 동작된다. 즉, 제 1 제어 신호(control 1)가 제 1 펌프(40a)의 캐패시터(C1)에 인가되어 부트 노드(boot)의 전위는 외부 전원보다 높은 2 x VDD가 된다.
외부 제어 신호(t2)가 하이 상태로 인에이블되면 제 1 펌프(40a)의 트랜지스터(TR1)가 턴온되므로 부트 노드(boot)의 차지(charge)가 제 2 펌프(40b)의 펌프 노드(pump)로 전달된다.
외부 제어 신호(t2)가 로우 상태로 디스에이블되고 제 2 제어 신호(control 2)가 오실레이터(20)의 출력 신호(OSC)의 폴링 에지에서 인에이블된다. 그러므로 제 2 펌프(40b)가 동작된다. 즉, 제 2 제어 신호(control 2)가 제 2 펌프(40b)의 캐패시터(C2)에 인가되어 펌프 노드(pump)의 전위는 "펌프 노드(pump)의 전위 + VDD"가 된다. 제 2 펌프(40b)에 의해 승압할 수 있는 최대 전위는 3 x VDD가 된다.
외부 제어 신호(t3)가 하이 상태로 인에이블되면 트랜지스터(TR2)가 턴온되어 펌프 노드(pump)의 차지와 VPP 전원과의 차지 쉐어링(sharing)에 의해 VPP 전원이 상승하게 된다.
이후, 외부 제어 신호(t3)가 디스에이블된다.
전술한 동작의 반복으로 VPP 전원이 점차 증가하게 된다. VPP 전원이 원하는 레벨에 도달하는 경우 스타트 신호는 디스에이블되어져 펌핑 동작이 멈추게 된다.
하지만, 위와 같은 일련의 동작중 제 1 제어 신호(control 1)에 의해 제어되어 지는 제 1 펌프(40a)의 동작 후 펌프 내부의 부트 노드(boot)의 레벨은 제 1 제어 신호(control 1)의 라이징 에지 이후 지속적으로 하향하는 경향이 있다. 이는 제 1 제어 신호(control 1)에 의해 상승한 제 1 펌프(40a)내의 노드(boot)는 캐패시터의 한쪽 노드로서 주위의 환경 변화 혹은 캐패시터 누설 전류에 의해 그 전위가 점차 하향하게 된다. 또한, 부트 노드(boot)와 펌프 노드(pump)와의 차지 쉐어링시 정상 상태의 완전한 차지에 의한 차지 쉐어링이 아니라 누설 전류에 의해 펌핑한 양보다 적은 양의 차지가 펌프 노드(pump)로 전달되어 진다.
위와 같은 누설 전류와 주위 환경 변화에 기인한 부트 노드(boot)의 하강은 전체적인 트리플러의 효율을 떨어 뜨리는 역할을 하게된다. 이러한 펌프 노드(pump)의 하강 현상은 오실레이터의 주기가 긴 경우 더욱 크게 나타난다. 이유는 하강 현상이 오실레이터의 반주기 동안 일어나기 때문이다.
일반적인 오실레이터의 출력(OSC)은 한 주기 동안의 로우 폭(Low width; 도 2의 LW) 및 하이 폭(High width; 도 2의 HW)이 동일하다. 이러한 타임 폭(time width)을 갖는 오실레이터의 출력은 결국 트리플러의 효율을 떨어뜨리는 원인이 된다.
따라서 본 발명은 누설 전류와 주위 환경 변화에 기인한 부트 노드의 하강 현상의 원인인 오실레이터의 출력을 동일한 타임 폭을 갖는 출력이 아니라 비대칭 타임 폭을 갖는 오시레이터의 출력으로 제어함으로써 누설 전류와 주위 환경 변화에 기인한 부트 노드의 하강 시간을 최소화할 수 있는 전압 상승 컨버터를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전압 상승 컨버터는 외부 전원보다 높은 내부 전원을 생성하기 위해 상기 내부 전원의 레벨을 디텍트 하기 위한 디텍터;
상기 디텍터의 출력에 따라 하이 레벨의 폭과 로우 레벨의 폭이 다른 주파수를 생성하는 비대칭 오실레이터; 및
상기 비 대칭 오실레이트의 출력에 따라 펌핑 동작하여 상기 내부 전원을 생성하는 펌프를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전압 상승 컨버터를 상세히 설명하기로 한다.
도 4 는 본 발명에 따른 전압 상승 컨버터의 블록도로서 도 6을 참조하여 그 동작을 상세히 설명하기로 한다.
디텍터(100)에서 VPP 전위를 검출하여 특정 전위보다 낮은 경우 스타트 신호(start)신호를 출력한다. 스타트 신호(start)에 따라 비 대칭 오실레이터(200)가 동작하여 도 6에 도시된 바와 같이 하이 레벨의 폭(HW)과 로우 레벨의 폭(LW)이 서로 다른 즉, 하이 레벨의 폭(HW)과 로우 레벨의 폭(LW)이 비대칭인 신호(OSC)가 생성된다. 하이 레벨의 폭(HW)은 로우 레벨의 폭(LW)보다 적다. 비 대칭 오실레이터(200)에서 출력되는 신호(OSC)에 따라 컨트롤러(300)가 동작하여 도 6에 도시된 바와 같은 제 1 및 제 2 제어 신호(control 1 및 control 2)가 생성된다. 제 1 제어 신호(control 1)는 비 대칭 오실레이터(200)의 출력의 라이징 에지에서 인에이블되는 반면 제 2 제어 신호(control 2)는 비 대칭 오실레이터(200)의 출력의 폴링 에지에서 인에이블된다. 그러므로 비대칭오실레이터(200)의 하이 레벨의 폭(HW)이 종래의 그것보다 작으므로 제 1 제어 신호(control 1) 생성 후 제 2 제어 신호(control 2)가 종래보다 빠르게 생성된다.
따라서 제 1 제어 신호(control 1)와 제 2 제어 신호(control 2)와의 긴 시간 차이에 의한 누설 전류와 주위 환경 변화에 의한 펌프 노드의 하강을 최대한 억제할 수 있다. 제 1 제어 신호(control 1)와 제 2 제어 신호(control 2)의 시간차는 제 1 제어 신호(control 1)에 의해 제 1 펌프(400a)의 동작이 완료된 직후까지이다.
제 1 및 제 2 제어 신호(control 1 및 control 2)에 따라 펌프(400)에서 VPP 전원을 생성하는데 펌프(400)의 상세 구성은 도 3과 같다.
외부 제어 신호(t1)가 하이 상태로 인에이블되면 제 1 펌프(400a)의 트랜지스터(TR0)가 턴온되므로 부트 노드(boot)가 VDD 전원으로 차지된다. 외부 제어 신 호(t1)가 로우 상태로 디스에이블되고 제 1 제어 신호(control 1)가 비 대칭 오실레이터(200)의 출력 신호(OSC)의 라이징 에지에서 인에이블된다. 그러므로 제 1 펌프(400a)가 동작된다. 즉, 제 1 제어 신호(control 1)가 제 1 펌프(400a)의 캐패시터(C1)에 인가되어 부트 노드(boot)의 전위는 외부 전원보다 높은 2 x VDD가 된다.
외부 제어 신호(t2)가 하이 상태로 인에이블되면 제 1 펌프(400a)의 트랜지스터(TR1)가 턴온되므로 부트 노드(boot)의 차지(charge)가 제 2 펌프(400b)의 펌프 노드(pump)로 전달된다.
외부 제어 신호(t2)가 로우 상태로 디스에이블되고 제 2 제어 신호(control 2)가 비대칭 오실레이터(20)의 출력 신호(OSC)의 폴링 에지에서 인에이블된다. 그러므로 제 2 펌프(400b)가 동작된다. 즉, 제 2 제어 신호(control 2)가 제 2 펌프(400b)의 캐패시터(C2)에 인가되어 펌프 노드(pump)의 전위는 "펌프 노드(pump)의 전위 + VDD"가 된다. 제 2 펌프(400b)에 의해 승압할 수 있는 최대 전위는 3 x VDD가 된다.
외부 제어 신호(t3)가 하이 상태로 인에이블되면 트랜지스터(TR2)가 턴온되어 노드(pump)의 차지와 VPP 전원과의 차지 쉐어링(sharing)에 의해 VPP 전원이 상승하게 된다.
이후, 외부 제어 신호(t3)가 디스에이블된다.
전술한 동작의 반복으로 VPP 전원이 점차 증가하게 된다. VPP 전원이 원하는 레벨에 도달하는 경우 스타트 신호는 디스에이블되어져 펌핑 동작이 멈추게 된다.
도 5 는 도 4의 비대칭 오실레이터의 상세 회로도이다.
스타트 신호(start)신호가 하이 상태이면 NAND 게이트(ND1)는 인버터(I6)의 출력을 반전시켜 출력한다. NAND 게이트(ND1)의 출력 단자와 인버터(I6)간에는 인버터(I2 내지 I5)가 직렬 접속된다. NAND 게이트(ND1)와 비대칭 오실레이터(200)의 출력(OSC) 단자 간에는 인버터(I7)가 접속된다.
인버터(I1)의 출력과 인버터(I2)의 입력 단자와의 접속점인 노드(K1)와 접지 간에는 캐패시터(c3)가 접속된다. 인버터(I2)의 출력과 인버터(I3)의 입력 단자와의 접속점인 노드(K2)와 접지 간에는 캐패시터(c4)가 접속된다. 인버터(I4)의 출력과 인버터(I5)의 입력 단자와의 접속점인 노드(K3)와 접지 간에는 캐패시터(c5)가 접속된다. 인버터(I5)의 출력과 인버터(I6)의 입력 단자와의 접속점인 노드(K4)와 접지 간에는 캐패시터(c6)가 접속된다. 인버터(I7)의 출력이 비 대칭 오실레이터(200)의 최종 출력이 된다. NAND 게이트(ND1)의 출력이 인버터(I1 내지 I6)를 거쳐 NAND 게이트(ND1)의 입력으로 피드벡되어 발진 주파수가 생성된다.
인버터(I1 내지 I6)는 도 7에 도시된 바와 같이 풀업 트랜지스터인 PMOS트랜지스터(Q1)와 풀 다운 트랜지스터인 NMOS트랜지스터(Q2)로 이루어진다. 입력 신호(IN)가 하이 상태이면 풀다운 트랜지스터(Q2)가 턴온되어 출력(OUT)은 로우 상태가 되는 반면 입력 신호(IN)가 로우 상태이면 풀업 트랜지스터(Q6)가 턴온되어 출력(OUT)이 하이 상태가 된다.
앞서 설명한 비대칭 출력 즉, 하이 레벨의 폭(HW)과 로우 레벨의 폭(LW)이 다른 출력을 얻기 위해 인버터(I1 내지 I6)를 다음과 같이 만든다.
인버터(I1)를 구성하는 NMOS 트랜지스터의 사이즈를 PMOS트랜지스터의 사이 즈보다 크게 만든다. 인버터(I2)를 구성하는 NMOS 트랜지스터의 사이즈를 PMOS트랜지스터의 사이즈보다 작게 만든다. 인버터(I3)를 구성하는 NMOS 트랜지스터의 사이즈를 PMOS트랜지스터의 사이즈보다 크게 만든다. 인버터(I4)를 구성하는 NMOS 트랜지스터의 사이즈를 PMOS트랜지스터의 사이즈보다 작게 만든다. 인버터(I5)를 구성하는 NMOS 트랜지스터의 사이즈를 PMOS트랜지스터의 사이즈보다 크게 만든다. 인버터(I6)를 구성하는 NMOS 트랜지스터의 사이즈를 PMOS트랜지스터의 사이즈보다 작게 만든다. 즉, 비대칭 오실레이터의 기본 구성은 링 오실레이터이며, 링 오실레이터를 구성하는 인버터의 풀 다운 트랜지스터 및 풀업 트랜지스터의 사이즈가 동일하지 않다.
도 8 은 도 4의 컨트롤러의 상세 회로도이다.
제 1 제어 신호(control 1)는 비대칭 오실레이터(200)의 출력(OSC)과 동위상이며, 제 2 제어 신호(control 2)는 역위상이다. 비대칭 오실레이터(200)의 출력(OSC)이 인버터(I11 내지 I14)를 경유하여 제 1 제어 신호(control 1)가 된다. 또한, 비대칭 오실레이터(200)의 출력(OSC)이 인버터(I15 및 I16)를 경유하여 제 2 제어 신호(control 1)가 된다.
따라서, 제 1 제어 신호(control 1)가 하이로 전이할 때 도 3의 부트 노드(boot)가 2 x VDD가 되어지며, 이 레벨은 외부 신호(t2)가 동작 할 때 펌프 노드(pump)로 전달된다. 펌프 노드(pump)로 전이된 후 제 1 제어 신호(control 1)는 로우 상태로 전이되어지며, 이때 외부 신호(t1)가 인에이블되어 부트 노드(boot)를 VDD로 프리차지하게 된다. 또한, 제 2 제어 신호(control 2)가 하이 상태로 천이되 어지면 펌프 노드(pump)가 3 xVDD 레벨까지 상승된다. 이때 외부 신호(t3)가 동작하여 펌프 노드(pump)의 차지를 VPP로 전달하게 된다. VPP로 전달이 완료된 후 제 2 제어 신호는 로우 레벨로 전이되어지며 다시 제 1 제어 신호가 하이 레벨로 전이되어 진다. 이러한 일련의 동작으로 VPP 펌핑 동작이 이루어진다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 비 대칭적인 오실레이터를 사용하여 트리플러의 효율을 높일 수 있으며, 궁극적으로 더 작은 외부 전원의 전류를 소모하여 전체적인 디바이스의 동작을 안정화 시킬 수 있다.

Claims (10)

  1. 외부 전원보다 높은 내부 전원을 생성하기 위해 상기 내부 전원의 레벨을 디텍트 하기 위한 디텍터;
    상기 디텍터의 출력에 따라 하이 레벨의 폭과 로우 레벨의 폭이 다른 주파수를 생성하는 비대칭 오실레이터; 및
    상기 비 대칭 오실레이트의 출력에 따라 펌핑 동작하여 상기 내부 전원을 생성하는 펌프를 포함하는 전압 상승 컨버터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상기 비대칭 오실레이터는 다수의 인버터를 포함하는 링오실레이터이며, 상기 각각의 인버터는 풀업 트랜지스터 및 풀 다운 트랜지스터로 이루어지며 그 사이즈가 서로 다른 전압 상승 컨버터.
  3. 외부 전원보다 높은 내부 전원을 생성하기 위해 상기 내부 전원의 레벨을 디텍트 하기 위한 디텍터;
    상기 디텍터의 출력에 따라 하이 레벨의 폭과 로우 레벨의 폭이 다른 주파수를 생성하는 비대칭 오실레이터;
    상기 비대칭 오실레이터의 출력에 따라 제 1 및 제 2 제어신호를 생성하는 컨트롤러; 및
    상기 제 1 및 제 2 제어 신호에 따라 펌핑 동작하여 상기 내부 전원을 생성하는 펌프를 포함하는 전압 상승 컨버터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 비대칭 오실레이터는 다수의 인버터를 포함하는 링오실레이터이며, 상기 각각의 인버터는 풀업 트랜지스터 및 풀 다운 트랜지스터로 이루어지며 그 사이즈가 서로 다른 전압 상승 컨버터.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 비대칭 오실레이터 출력의 하이 레벨의 폭이 로우 레벨의 폭보다 작은 전압 상승 컨버터.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 펌프는 상기 제 1 제어 신호에 따라 펌핑 동작하여 상기 외부 전원보다 높은 제 1 전압을 생성하는 제 1 펌프; 및
    상기 제 2 제어 신호에 따라 펌핑 동작하여 상기 제 1 전압보다 높은 상기 내부 전원을 생성하는 제 2 펌프를 포함하는 전압 상승 컨버터.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 펌프는 제 1 외부 신호에 따라 부트 노드를 상기 외부 전원 레벨 로 만들기 위한 제 1 스위칭 소자;
    상기 제 1 제어 신호에 따라 상기 부트 노드의 전위를 상승시켜 상기 제 1 전압을 생성하는 제 1 캐패시터;
    제 1 외부 신호에 따라 상기 제 1 전압을 출력하는 제 2 스위칭 소자를 포함하는 전압 상승 컨버터.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 스위칭 소자 각각은 트랜지스터인 전압 상승 컨버터.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 펌프는 상기 제 2 제어 신호에 따라 펌프 노드를 상기 제 1 전압보다 높은 전압으로 펌핑하기 위한 제 2 캐패시터;
    제 2 외부 신호에 따라 상기 펌프 노드의 전위를 출력 단자로 전달하기 위한 제 3 스위칭 소자를 포함하는 전압 상승 컨버터.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 3 스위칭 소자는 트랜지스터인 전압 상승 컨버터.
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