KR101603120B1

KR101603120B1 - 전하 펌프

Info

Publication number: KR101603120B1
Application number: KR1020150074128A
Authority: KR
Inventors: 이승욱; 임병상; 이정우
Original assignee: (주)멜파스; 엔플래닉 주식회사
Priority date: 2015-05-27
Filing date: 2015-05-27
Publication date: 2016-03-14

Abstract

본 실시예에 의한 차지 펌프는 단위 전하 펌프 모듈(unit charge pump module) 들이 캐스케이드(cascade)되어 연결된 전하 펌프(charge pump)로, 단위 전하 펌프 모듈은 입력 전압을 제공받는 스위치부(switching unit)와, 스위치부로부터 입력 전압을 제공받아 충전하는 펌핑 커패시터 및 입력 신호를 제공받고 입력 신호의 오프셋 레벨을 시프트(shift)하여 형성된 펌핑 신호(pumping signal)를 펌핑 커패시터에 제공하는 펌핑 버퍼(pumping buffer)를 포함하며, 스위치부는 펌핑 커패시터에 충전된 전압에 펌핑 신호가 합하여져 승압된 전압을 제공받아 출력 전압으로 제공하고, 전하 펌프에 포함된 펌핑 커패시터들에 충전된 전압은 동일하다.

Description

전하 펌프{Charge Pump}

본 발명은 전하 펌프에 관한 것이다.

전하 펌프(charge-pump)는 낮은 입력 전원으로부터 고전압을 생성하기 위한 회로로, 전압 체배기(voltage multiplier), 전압 부스터(votage booster)로 기능한다. 전하 펌프는 칩 내부에 형성될 수 있으며, 칩 내에 형성된 차지 펌프는 칩 내의 여러 부분에서 활용 가능하며, 칩으로 제공되는 전압보다 고전압이 필요한 경우에 상기 고전압을 제공하는 기능을 수행한다.

종래의 전하 펌프는 다이오드(diode) 또는 다이오드 결선된 트랜지스터(diode connected transistor)의 일방향 도통 특성을 이용하여 커패시터에 전압을 형성하고, 커패시터에 미리 정하여진 진폭을 가지는 신호를 제공하여 다음 스테이지의 커패시터에 증가된 전압을 축적한다. 커패시터와 다음 스테이지의 커패시터 사이에는 높은 전압이 역류하는 것을 방지하기 위하여 상기한 바와 같이 다이오드(diode) 또는 다이오드 결선된 트랜지스터(diode connected transistor)를 배치된다.

종래의 차지 펌프 중 다른 예로, 차지 펌프는 서로 상보적인 MOS 트랜지스터들을 직렬로 연결한 제1 쌍(first pair)과 제2 쌍(second pair)을 포함하는 단일 스테이지(single stage)가 복수개 연결되어 형성된다. 단일 스테이지에 포함된 제1 쌍의 트랜지스터들이 전기적으로 연결된 노드와 제2 쌍의 트랜지스터들이 전기적으로 연결된 노드에는 각각 전압을 형성하는 커패시터의 일단이 연결된다. 커패시터의 타단에는 일정한 진폭을 가지는 주기적 신호가 제공되어 커패시터에 형성된 전압을 증가시켜 다음 스테이지의 커패시터에 제공된다.

상기 다이오드 또는 다이오드 결선된 트랜지스터를 이용하는 차지 펌프는 스위칭이 대칭적이지 않아 출력 전압에 많은 리플 성분을 포함한다. 또한 다이오드를 통과하여 커패시터에 전압이 형성되므로, 다이오드의 턴 온 전압만큼의 전압강하가 발생한다.

상기 상보적 MOS 트랜지스터들의 스위칭을 이용하여 전압을 형성하는 예는 주기적 신호의 반주기마다 전압을 증가시켜 다음 스테이지에 제공하므로 출력 전압에 포함된 리플 성분이 상대적으로 적고, 전압 강하가 없어 출력 전압 손실이 발생하지 않는다는 점에서 유리하다.

그러나, 커패시터를 칩 외부에 외장하는 차지 펌프는 신호의 반주기마다 전압을 증가시켜 다음 스테이지에 제공하므로 전압을 형성하는 커패시터의 수가 증가하며, 칩의 핀 증가에 따른 경제성이 감소한다는 문제가 있을 수 있다.

커패시터를 칩 내부에 내장하는 경우에, 품질 지수(Quality factor)와 커패시터를 구현하는데 필요한 다이 사이즈(die size)를 고려하면 MIM(Metal-Insulator-Metal) 커패시터를 이용하여 구현하는 것이 바람직하나, MIM 커패시터는 인가되는 전압 범위에 제한이 있어서 MIM커패시터에 제공되는 전압에 따라 커패시터 신뢰성의 문제가 대두될 수 있다.

본 실시예는 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 칩 내에 커패시터를 배치하여 경제적으로 구현할 수 있는 차지 펌프를 제공하는 것이 본 실시예의 목적 중 하나이다. 또한, 본 실시예는 커패시터에 제공되는 전압 영향을 감소시켜 신뢰성있게 동작하는 차지 펌프를 제공하는 것이 본 실시예의 목적 중의 하나이다.

본 실시예에 따른 차지 펌프는 단위 전하 펌프 모듈(unit charge pump module) 들이 캐스케이드(cascade)되어 연결된 전하 펌프(charge pump)로, 단위 전하 펌프 모듈은 입력 전압을 제공받는 스위치부(switching unit)와, 스위치부로부터 입력 전압을 제공받아 충전하는 펌핑 커패시터 및 입력 신호를 제공받고 입력 신호의 오프셋 레벨을 시프트(shift)하여 형성된 펌핑 신호(pumping signal)를 펌핑 커패시터에 제공하는 펌핑 버퍼(pumping buffer)를 포함하며, 스위치부는 펌핑 커패시터에 충전된 전압에 펌핑 신호가 합하여져 승압된 전압을 제공받아 출력 전압으로 제공하고, 입력 전압은 단위 전하 펌프 모듈에 포함된 펌핑 버퍼의 구동 전원 중 톱 전원 전압(top supply voltage)으로 제공되고, 출력 전압은 캐스케이드로 연결되는 다음 스테이지의 단위 전하 펌프 모듈에 포함된 펌핑 버퍼의 구동 전원 중 톱 전원 전압(top supply voltage)으로 제공된다.

본 실시예에 따른 차지펌프는 칩 내에 형성되는 온 칩 커패시터를 사용할 수 있어 차지 펌프를 구현하는데 필요한 부품수 및 칩의 핀 수가 줄어들어 경제적이다. 나아가 본 실시예에 의한 차지 펌프에 의하면 온 칩 커패시터를 사용하여도 커패시터의 허용 전압을 초과하여 커패시터가 파괴되는 등의 문제가 발생하지 않아 신뢰성이 높다는 장점이 제공된다.

도 1은 본 실시예에 따른 전하 펌프의 예시적 회로도이다.
도 2a는 최초 스테이지의 커패시터 부에 포함된 커패시터에 전압을 충전하는 경우를 개요적으로 도시한 등가 회로도이다.
도 2b는 첫번째 스테이지의 커패시터 부에 포함된 커패시터에 전압을 충전하는 경우를 개요적으로 도시한 등가 회로도이다.
도 2c는 두번째 스테이지의 커패시터 부에 포함된 커패시터에 전압을 충전하는 경우를 개요적으로 도시한 등가회로이다.
도 3a는 종래의 전하 펌프의 동작을 설명하기 위한 개요도이다.
도 3b는 본 실시예에 따른 전하 펌프의 동작을 설명하기 위한 개요도이다.

본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

“제1”, “제2” 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "상부에" 또는 “위에”있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 바로 위에 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "접촉하여" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "개재하여"와 "바로 ~개재하여", "~사이에"와 "바로 ~ 사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.

본 개시의 실시예들을 설명하기 위하여 참조되는 도면은 설명의 편의 및 이해의 용이를 위하여 의도적으로 크기, 높이, 두께 등이 과장되어 표현되어 있으며, 비율에 따라 확대 또는 축소된 것이 아니다. 또한, 도면에 도시된 어느 구성요소는 의도적으로 축소되어 표현하고, 다른 구성요소는 의도적으로 확대되어 표현될 수 있다.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.

이하에서는 각 스테이지 별 구성 요소를 구별하기 위한 도면부호로 알파벳 a, b, ..., n 등을 부가하여 사용하도록 한다. 다만, 스테이지에 관계없이 각 구성요소를 통칭하고자 하는 경우에는 a, b, ..., n등의 알파벳을 제외한 도면 부호를 사용하도록 한다. 일 예로, 캐스케이드 된 단위 전하 펌프 모듈들이 전하 펌프를 형성하는 경우에, 최초 스테이지의 단위 전하 펌프 모듈은 10a로 지칭하되, 스테이지에 관계없이 단위 전하 펌프 모듈들을 지칭하고자 하는 경우엔 도면 부호 10을 사용하도록 한다.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 실시예에 따른 전하 펌프를 설명한다. 도 1은 본 실시예에 따른 전하 펌프의 예시적 회로도이다. 도 1을 참조하면, 캐스케이드(cascade)로 연결된 단위 전하 펌프 모듈들(10)을 포함하는 전하 펌프를 도시한다. 캐스케이드로 연결된 각각의 단위 전하 펌프 모듈은 어느 한 스테이지의 출력이 다음 스테이지의 입력으로 제공되나, 마지막 스테이지에 연결된 단위 전하 펌프 모듈의 출력 전압은 전하 펌프의 출력이 되며 출력 커패시터에 충전된다.

단위 전하 펌프 모듈들(10)은 입력 전압을 제공받고, 펌핑 커패시터에 충전된 전압에 상기 펌핑 신호가 합하여져 형성된 전압을 제공받아 출력 전압으로 제공하는 스위치 부(110)와 스위치부로부터 입력 전압을 제공받아 충전하는 커패시터 부(120) 및 주기 신호를 제공받아 상기 주기 신호의 레벨을 시프트(shift)하여 형성된 펌핑 신호(pumping signal)를 상기 펌핑 커패시터에 제공하는 펌핑 버퍼(130)를 포함한다.

스위치 부(110)는 서로 반대 위상 관계를 가지는 주기 신호인 P와 P‘로 제어되어 서로 상보적으로 동작하는 제1 스위칭 쌍(112)과 제2 스위칭 쌍(112‘)을 포함한다. 제1 스위칭 쌍(112)과 제2 스위칭 쌍(112’)은 각각 NMOS 트랜지스터와 PMOS 트랜지스터를 포함하며, 제1 스위칭 쌍(112)에 포함된 NMOS 트랜지스터의 소스와 PMOS 트랜지스터의 소스 및 제2 스위칭 쌍(112‘)에 포함된 NMOS 트랜지스터 및 PMOS 트랜지스터의 게이트는 서로 전기적으로 연결되어 제1 노드(N1)를 형성한다. 마찬가지로 제2 스위칭 쌍(112’)에 포함된 NMOS 트랜지스터의 소스와 PMOS 트랜지스터의 소스 및 제1 스위칭 쌍(112)에 포함된 NMOS 트랜지스터 및 PMOS 트랜지스터의 게이트는 서로 전기적으로 연결되어 제2 노드(N2)를 형성한다.

제1 스위칭 쌍(112)에 포함된 NMOS 트랜지스터의 드레인과 제2 스위칭 쌍(112‘)에 포함된 NMOS 트랜지스터의 드레인은 서로 연결되어 입력 전압을 제공받고, 제1 스위칭 쌍(112)에 포함된 PMOS 트랜지스터의 드레인과 제2 스위칭 쌍(112‘)에 포함된 PMOS 트랜지스터의 드레인은 서로 연결되어 출력 전압을 제공한다.

제2 노드(N2)에는 펌핑 신호 P가 제공되며, 제1 노드(N1)에는 P와 반대 위상을 가지는 펌핑 신호인 P‘가 제공된다. P가 논리 1인 상태이면 제1 스위칭 쌍(112)의 PMOS 트랜지스터는 턴 오프되나, NMOS 트랜지스터는 턴 온 되어 입력 전압을 제공 받고 제1 노드와 전기적으로 연결된 커패시터 C’에 입력 전압을 충전한다. 또한 P’는 논리 0 상태에 있으므로 제2 스위칭 쌍(112’)의 PMOS 트랜지스터가 턴 온 되어 제2 노드에 연결된 커패시터C에 충전된 입력전압과 논리 1 상태인 P 신호의 전압이 더해져 승압된 신호를 제공받고 출력 신호(Vout)로 제공한다.

P가 논리 0인 상태이면 제1 스위칭 쌍(112)의 PMOS 트랜지스터는 턴 온 되어 제1 노드(N1)에 연결된 커패시터 C’에 충전된 입력전압에 논리 1 상태인 P’신호의 전위가 더해져 승압된 신호를 제공받아 출력 신호(Vout)로 제공한다. 또한 P’는 논리 1 상태에 있으므로 제2 스위칭 쌍(112’)의 NMOS 트랜지스터는 턴 온 되어 입력 전압(Vin)을 제공받아 제2 노드(N2)에 연결된 커패시터를 충전한다.

동일한 스위칭 쌍에서 커패시터 충전과 출력 신호 제공은 스위칭 쌍에 포함된 NMOS 트랜지스터와 PMOS 트랜지스터의 상보성에 따라 주기 신호의 반 주기마다 이루어진다. 또한, 스위칭 쌍의 구동을 제어하는 펌핑 신호들인 P와 P‘는 서로 반대 위상으로 동작하므로 제1 스위칭 쌍과 제2 스위칭 쌍은 서로 반대 위상으로 동작한다. 즉, 제1 스위칭 쌍에서 NMOS 트랜지스터가 턴 온되어 입력 신호를 충전하면 제2 스위칭 쌍의 PMOS 트랜지스터가 턴 온되어 출력 신호를 제공하고, 제2 스위칭 쌍에서 NMOS 트랜지스터가 턴 온되어 입력 신호를 충전하면 제1 스위칭 쌍의 PMOS 트랜지스터가 턴 온되어 출력 신호를 제공한다.

커패시터 부(120)는 한 쌍의 커패시터(C, C’)를 포함한다. 각 커패시터의 일단은 각각 스위치부(120)의 제1 노드(N1) 및 제2 노드(N2)와 전기적으로 연결되어있으며, 각 커패시터의 타단은 각각 단위 펌핑 버퍼 132, 132‘의 출력에 전기적으로 연결된다. 커패시터 충전시 커패시터의 일단은 스위치부(110)로부터 입력 전압을 제공받고 타단은 로우 상태인 단위 펌핑 버퍼를 통하여 바텀 공급 전원과 연결되어 충전이 수행된다. 커패시터는 커패시터의 타단에 연결된 단위 펌핑 버퍼가 하이 상태의 펌핑 신호를 제공하여 펌핑 신호의 전압과 커패시터에 충전된 전압이 합하여 승압된 전압을 스위치부에 제공한다.

일 실시예로, 커패시터 부에 포함된 커패시터들은 전하 펌프와 동일한 칩에 구현되는 온 칩 커패시터의 형태로 구현할 수 있으며, 금속-절연층-금속이 적층된 MIM(Metal Insulator Metal) 커패시터로 구현할 수 있다. 일 예로, MIM 커패시터로 커패시터 부에 포함된 커패시터들을 구현하면 다이 면적(die area)을 감소시킬 수 있으며, 높은 품질 지수(Quality factor)를 가지는 커패시터를 형성할 수 있다는 장점이 제공된다.

펌핑 버퍼(130)는 입력을 통하여 주기 신호 Φ, Φ' 또는 이전 스테이지의 펌핑 신호 P, P’를 입력받고, 입력된 신호의 주파수와 실질적으로 동일한 주파수를 가지는 펌핑 신호 P, P’를 출력한다. 또한, 펌핑 버퍼(130)는 톱 공급 전압(top supply voltage)과 바텀 공급 전압(bottom supply voltage)를 제공받으며, 펌핑 버퍼가 출력하는 펌핑 신호(P, P’)는 톱 공급 전압과 바텀 공급 전압 사이에서 스윙한다. 펌핑 버퍼가 출력한 펌핑 신호는 커패시터의 타단으로 제공되어 커패시터에 충전된 전압에 더해져서 승압된 출력 신호를 형성한다. 펌핑 버퍼(130)는 단위 펌핑 버퍼(132, 132‘)를 포함한다.

일 실시예로, 펌핑 버퍼(130)는 입력 신호와 동위상을 가지는 신호를 출력하는 버퍼로 구현될 수 있으며, 이 때의 펌핑 신호 P, P’는 입력신호와 실질적으로 동위상이다. 다른 실시예로, 펌핑 버퍼(130)는 입력 신호와 반대 위상을 가지는 신호를 출력하는 인버터(inverter)로 구현될 수 있으며, 이 때의 펌핑 신호 P, P’는 입력신호와 실질적으로 반대 위상(anti-phase)이다.

펌핑 버퍼(130)는 상기 펌핑 버퍼가 포함된 단위 전하 펌프의 스위치부(110) 입력 전압이 톱 공급 전원(top supply voltage)으로 제공되고, 상기 단위 전하 펌프 이전 스테이지에 연결된 단위 전하펌프의 스위치 부 입력 전압이 바텀 공급 전압(bottom supply voltage)으로 제공된다. 단위 전하 펌프 모듈 10b에 포함된 펌핑 버퍼 130b의 톱 공급 전압은 해당 스테이지의 스위치부(110b) 입력 전압이 제공되고, 바텀 공급 전압은 이전 스테이지의 입력 전압인 V가 제공된다. 또한, 최초 스테이지에 포함된 단위 전하 펌프 모듈(10a)의 펌핑 버퍼(130a)는 기준 전위가 바텀 공급 전원으로 제공되고, 스위치부(100a)의 입력 전압 V가 탑 공급 전원으로 제공된다.

이하에서는 상기한 도 1을 참조하여 본 실시예에 따른 전하 펌프의 동작을 살펴본다. 이하에서 펌핑 버퍼(130)에 포함된 단위 펌핑 버퍼는 입력된 신호와 실질적으로 동일한 위상을 출력하는 버퍼로 구현한 예를 설명한다. 펌핑 버퍼(130)는 주기 신호(Φ1, Φ1')를 제공받아 톱 공급 전압과 바텀 공급 전압인 기준 전위 사이에서 스윙(swing)하고, 주기 신호와 실질적으로 동일한 위상을 가지며, 주기신호와 실질적으로 동일한 주파수를 가지는 펌핑 신호 P, P’를 형성한다. 펌핑 버퍼(130)에서 출력되는 주기 신호는 스테이지에 따라 직류 오프셋 전압값을 달리하나, 피크대 피크 전압의 크기는 서로 같을 수 있다.

도 1을 참조하면, 첫 스테이지의 단위 전하 펌프 모듈에 포함된 펌핑 버퍼(130a)는 서로 반대 위상을 가지는 주기 신호(Φ1, Φ1')를 입력 받아 바텀 공급 전압으로 제공되는 기준 전위와 톱 공급 전압으로 제공되는 전압 V 사이에서 스윙하는 제1 펌핑 신호들을 형성하고, 이를 제1 및 제2 스위칭 쌍(112a, 112a’)에 제공한다. 도 2a는 최초 스테이지의 커패시터 부에 포함된 커패시터에 전압을 충전하는 경우를 개요적으로 도시한 등가 회로도이며, 도 2b는 첫번째 스테이지의 커패시터 부에 포함된 커패시터에 전압을 충전하는 경우를 개요적으로 도시한 등가 회로도이고, 도 2c는 두번째 스테이지의 커패시터 부에 포함된 커패시터에 전압을 충전하는 경우를 개요적으로 도시한 등가회로이다.

펌핑 신호 Pa가 논리 1 상태(Pa’ 논리 0인 상태)에서 도 2a로 도시된 바와 같이 제1 스위칭 쌍(112a)의 NMOS 트랜지스터가 턴 온되며, 입력 전압 V가 커패시터 Ca’에 충전된다. 커패시터 Ca’에는 턴 온된 NMOS 스위치를 통하여 입력 전압(V)이 제공되어 충전된다. 커패시터 Ca’의 타단은 단위 펌핑 버퍼 132a‘와 연결되어 있으며, 단위 펌핑 버퍼 132a‘는 논리 0의 상태에 있다. 따라서, 커패시터의 타단은 펌핑 버퍼의 바텀 공급 전원과 전기적으로 연결되어 기준전위에 연결된다. 따라서 커패시터(Ca’)에는 커패시터 양 단의 전위차인 V가 충전된다.

펌핑 신호 Pa‘가 논리 1 상태(Pa가 논리 0인 상태)에서는 커패시터 Ca’타단에 연결된 단위 펌핑 버퍼(132a’)가 논리 1에 상응하는 펌핑 신호를 출력하고, 커패시터 Ca‘ 타단에 연결된 단위 펌핑 버퍼(132a)는 논리 0에 상응하는 펌핑 신호를 출력한다. 또한, 펌핑 신호 Pa’에 의하여 구동되는 두 번째 스테이지의 펌핑 버퍼(130b)에 포함된 단위 펌핑 버퍼 132b’도 마찬가지로 논리 1에 상응하는 펌핑 신호 Pb’를 출력한다.

펌핑 신호 Pa가 논리 0 상태이므로 제1 스위칭 쌍(112a)에 포함된 PMOS 트랜지스터가 턴 온되고, Pb’도 논리 1이므로 두번째 스테이지의 제2 스위칭 쌍(112b’)에 포함된 NMOS 트랜지스터가 턴 온 된다. 따라서, 도 2b에 도시된 바와 같이 최초 스테이지의 단위 펌핑 버퍼 132a’에서 두 번째 스테이지의 커패시터 Cb 및 단위 펌핑 버퍼 132b까지 회로가 형성된다.

두 번째 스테이지의 커패시터 Cb의 일단으로는 이전 스테이지의 커패시터 Ca’에 충전된 전압과 펌핑 버퍼가 제공하는 전압 V가 도합된 전압인 2V가 제공된다. 두 번째 스테이지의 펌핑 버퍼 130b에서, Pb가 논리 0인 상태에 이므로, 단위 펌핑 버퍼 132b는 바텀 공급 전압에 상응하는 V를 출력하여 커패시터 Cb의 타단에 제공한다. 따라서, 커패시터 Cb는 양 단의 전압 차이인 V가 충전된다.

도 2(c)를 참조하면, 세 번째 스테이지의 커패시터인 Cc’에 충전되는 전압도 두 번째 스테이지와 첫 번째 스테이지의 커패시터들과 마찬가지로 V이다. 커패시터 Cb에 충전된 전압 V와 펌핑 버퍼 132b는 탑 공급 전압 2V가 도합된 출력 전압 3V가 스위칭 쌍의 PMOS 스위치와 NMOS 스위치들을 거쳐 세 번째 스테이지의 커패시터 Cc‘의 일단에 제공되나, 커패시터 Cc’타단에는 논리 0 상태인 펌핑 버퍼 132c’가 연결되어 바텀 공급 전압인 2V가 제공된다. 따라서, 커패시터 Cc’에는 그 양단의 전압 차이인 V가 충전된다.

캐스케이드되어 연결된 단위 전하 펌프 모듈의 커패시터에 충전된 전압은 배치된 스테이지에 무관하게 모두 동일하다. 또한, 위에서 이미 설명된 바와 같이 단위 펌핑 버퍼들, 커패시터들, 제1 및 제2 스위칭 쌍들이 서로 반주기 위상 차이를 두고 동작한다. 따라서, 펌핑 신호의 어느 반주기동안 제1 스위칭 쌍이 승압된 전압을 출력하고, 다른 반주기동안 제2 스위칭 쌍이 승압된 전압을 출력하므로 전체적으로 스위치 부의 출력은 항상 승압된 전압을 다음 스테이지의 입력으로 제공한다.

도 1로 도시된 바와 같이 입력 전압이 V이고, 펌핑 신호의 피크 대 피크 전압이 V이라면 첫 번째 스테이지의 단위 전하 펌프 모듈의 출력 전압은 2V이고, 두 번째 스테이지의 단위 전하 펌프 모듈의 출력 전압은 3V이며, n번째 스테이지의 단위 전하 펌프 모듈의 출력 전압 Vout은 (n+1)V이다.

도 3(a)는 종래의 전하 펌프의 동작을 설명하기 위한 개요도이다. 도 3(a)를 참조하면, 종래 전하 펌프에서 펌핑 신호로 제공된 주기 신호(Φ, Φ')는 도시된 바와 같이 단위 전하 펌프 모듈이 캐스케이드된 스테이지와 무관하게 일정하였다. 따라서, 입력 전압인 V보다 큰 전압으로 승압하기 위하여는 입력 전압 V + V_Φ 을 최초 스테이지의 커패시터에 저장하고, 이어지는 스테이지에서는 상기 전압에 주기 신호의 전압을 스테이지 별로 더하여 커패시터에 저장하였다. 따라서, 종래 기술에 따른 전하 펌프는 도 3(a)에 도시된 바와 같이 출력 스테이지에 가까워질수록 커패시터에 충전되는 전압값(Vcap)이 커지므로 커패시터를 외장하므로 비경제적이었으며, 온 칩 커패시터를 사용하는 경우에는 커패시터의 신뢰성이 문제되었다.

그러나, 도 3(b)에 도시된 본 실시예에 따른 전하 펌프는 펌핑 버퍼가 제공하는 펌핑 신호의 피크-피크 전압값은 일정하되 직류 오프셋 전압값만을 달리하여 제공하므로 전하 펌프 모듈이 위치하는 스테이지와 무관하게 커패시터에 충전된 전압값은 일정하다.

본 실시예에 따른 전하 펌프는 칩에 제공된 공급 전원보다 높은 전압을 칩 내부 또는 외부에 제공하여야 하나, 목적하는 출력 전압보다 커패시터에 충전 가능한 전압이 작은 경우에 사용될 수 있다. 일 실시예로, 터치 패널은 사용자의 터치에 의하여 구동 전극과 감지 전극 사이에서 형성된 커패시턴스의 변화를 감지한다. 터치 패널에 형성된 구동 전극은 완벽한 도전체가 아니므로 그 자체로 전기 저항을 가지며, 터치 패널의 소형화 박형화추세에 따라 그 저항값은 상승한다.

따라서, 커패시턴스를 감지하기 위하여 터치 패널을 구동하는 칩은 칩에 제공된 전압에 비하여 큰 전압을 인가하여야 비로소 구동전극에 목적하는 전압을 인가할 수 있다. 본 실시예에 따른 전하 펌프는 상기한 경우와 같이 칩에 제공된 전압보다 큰 전압을 제공할 필요가 있으며, 소형화 박형화 추세에 따라 커패시터를 외장할 수 없으며, 칩 내부 커패시터의 신뢰성을 확보하고자 하는 경우에 사용할 수 있다.

본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 실시를 위한 실시예로, 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

10: 단위 전하 펌프 모듈 110: 스위치 부
120: 펌핑 커패시터 130: 펌핑 버퍼

Claims

단위 전하 펌프 모듈(unit charge pump module) 들이 캐스케이드(cascade)되어 연결된 전하 펌프(charge pump)에 있어서, 상기 단위 전하 펌프 모듈은,
입력 전압을 제공받는 스위치부(switching unit);
상기 스위치부로부터 입력 전압을 제공받아 충전하는 펌핑 커패시터; 및
입력 신호를 제공받고 상기 입력 신호의 오프셋 레벨을 시프트(shift)하여 형성된 펌핑 신호(pumping signal)를 상기 펌핑 커패시터에 제공하는 펌핑 버퍼(pumping buffer)를 포함하며,
상기 스위치부는 상기 펌핑 커패시터에 충전된 전압에 상기 펌핑 신호가 합하여져 승압된 전압을 제공받아 출력 전압으로 제공하고,
상기 전하 펌프에 포함된 상기 펌핑 커패시터들에 충전된 전압은 동일한 전하 펌프.
제1항에 있어서,
상기 펌핑 커패시터는 MIM(Metal Insulator Metal) 커패시터로, 상기 전하 펌프와 함께 동일한 칩에 내장되어 형성된 전하 펌프.
제1항에 있어서,
상기 펌핑 버퍼의 톱 전원 전압(top supply voltage)은 상기 입력 전압이고,
상기 펌핑 버퍼의 바텀 전원 전압(bottom supply voltage)은 이전 스테이지에 연결된 단위 전하 펌프 모듈의 입력 전원인 전하 펌프.
제3항에 있어서,
상기 입력 전압은 캐스케이드로 연결되는 다음 스테이지 펌핑 버퍼의 바텀 전원 전압(bottom supply voltage)으로 제공되는 전하 펌프.
제1항에 있어서,
상기 전하 펌프는 출력 커패시터를 더 포함하되,
상기 출력 커패시터는 상기 전하 펌프가 형성된 칩에 외장된 전하 펌프.
제1항에 있어서,
상기 스위치부는 병렬로 연결된 제1 스위칭 쌍과 제2 스위칭 쌍을 포함하고,
제1 스위칭 쌍과 제2 스위칭 쌍은 각각 직렬로 연결된 NMOS(N type Metal Oxide Semiconductor)와 PMOS(P type Metal Oxide Semiconductor)를 포함하는 전하 펌프.
제1항에 있어서,
상기 펌핑 버퍼는 상기 펌핑 신호에 의하여 상보적으로 동작하는 버퍼 및 인버터(inverter) 중 어느 하나를 포함하는 전하 펌프.
제1항에 있어서,
상기 펌핑 커패시터는 일단과 타단을 가지며,
상기 일단은 상기 스위치부와 전기적으로 연결되어 입력 전압을 제공받아 전압을 충전하고,
상기 타단은 상기 펌핑 버퍼의 출력과 전기적으로 연결되어 상기 펌핑 신호를 제공받으며,
상기 커패시터에 충전된 전압과 상기 펌핑 신호가 합하여져 형성된 전압은 상기 일단으로 상기 스위치부에 제공되는 전하 펌프.
제1항에 있어서,
상기 전하 펌프는,
터치 스크린 콘트롤러에 포함되어 사이 터치 스크린 콘트롤러의 구동에 사용되는 전하 펌프.
단위 전하 펌프 모듈(unit charge pump module) 들이 캐스케이드(cascade)되어 연결된 전하 펌프(charge pump)에 있어서, 상기 단위 전하 펌프 모듈은,
입력 전압을 제공받는 스위치부(switching unit);
상기 스위치부로부터 입력 전압을 제공받아 충전하는 펌핑 커패시터; 및
입력 신호를 제공받고 상기 입력 신호의 오프셋 레벨을 시프트(shift)하여 형성된 펌핑 신호(pumping signal)를 상기 펌핑 커패시터에 제공하는 펌핑 버퍼(pumping buffer)를 포함하며,
상기 스위치부는 상기 펌핑 커패시터에 충전된 전압에 상기 펌핑 신호가 합하여져 승압된 전압을 제공받아 출력 전압으로 제공하고,
상기 입력 전압은 상기 단위 전하 펌프 모듈에 포함된 펌핑 버퍼의 구동 전원 중 톱 전원 전압(top supply voltage)으로 제공되고,
상기 펌핑 버퍼의 구동 전원 중 바텀 전원 전압(bottom supply voltage)은 이전 스테이지의 입력 전압이 제공되는 전하 펌프..
제10항에 있어서,
상기 펌핑 커패시터는 MIM(Metal Insulator Metal) 커패시터로, 상기 전하 펌프와 함께 동일한 칩에 내장되어 형성된 전하 펌프.
제10항에 있어서,
상기 출력 전압은 캐스케이드로 연결되는 다음 스테이지의 단위 전하 펌프 모듈에 포함된 펌핑 버퍼의 구동 전원 중 톱 전원 전압(top supply voltage)으로 제공되는 전하 펌프.
삭제
제10항에 있어서,
상기 전하 펌프는 출력 커패시터를 더 포함하되,
상기 출력 커패시터는 상기 전하 펌프가 형성된 칩에 외장된 전하 펌프.
제10항에 있어서,
상기 스위치부는 병렬로 연결된 제10 스위칭 쌍과 제2 스위칭 쌍을 포함하고,
제1 스위칭 쌍과 제2 스위칭 쌍은 각각 직렬로 연결된 NMOS(N type Metal Oxide Semiconductor)와 PMOS(P type Metal Oxide Semiconductor)를 포함하는 전하 펌프.
제10항에 있어서,
상기 펌핑 버퍼는 상기 펌핑 신호에 의하여 상보적으로 동작하는 버퍼 및 인버터(inverter) 중 어느 하나를 포함하는 전하 펌프.
제10항에 있어서,
상기 펌핑 커패시터는 일단과 타단을 가지며,
상기 일단은 상기 스위치부와 전기적으로 연결되어 입력 전압을 제공받아 전압을 충전하고,
상기 타단은 상기 펌핑 버퍼의 출력과 전기적으로 연결되어 상기 펌핑 신호를 제공받으며,
상기 커패시터에 충전된 전압과 상기 펌핑 신호가 합하여져 형성된 전압은 상기 일단으로 상기 스위치부에 제공되는 전하 펌프.
제10항에 있어서,
상기 전하 펌프는,
터치 스크린 콘트롤러에 포함되어 사이 터치 스크린 콘트롤러의 구동에 사용되는 전하 펌프.