KR20030007029A

KR20030007029A - 차지펌프 회로의 제어 방법

Info

Publication number: KR20030007029A
Application number: KR1020020038841A
Authority: KR
Inventors: 가와이슈헤이; 묘노다까오
Original assignee: 산요 덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2001-07-09
Filing date: 2002-07-05
Publication date: 2003-01-23
Also published as: TW567673B; KR100463619B1; CN1186874C; JP2003033007A; CN1396696A; US20030011420A1; US6707335B2

Abstract

전원 전압 Vdd 이하의 작은 단위(step)로 승압을 행하는 차지펌프 회로에서, 오동작을 방지한다. 컨덴서(1, 2)를 펌핑 노드에 직렬 또는 병렬로 접속하는 스위치 S1, S2, S3을 구비하고, 다음 제어 단계에 따라 차지펌프 동작을 행하게 한다. ① 클럭 CLK가 L 레벨인 상태에서 스위치 S2를 온 상태로 함으로써, 컨덴서(1, 2)를 직렬로 접속한다. ② 스위치 S2를 오프 상태로 한다. ③ 클럭 CLK을 H 레벨의 상태로 한다. ④ 스위치 S1, S3을 온 상태로 함으로써, 컨덴서(1, 2)를 병렬로 접속한다. ⑤ 스위치 S1, S3을 오프 상태로 한다. ⑥ 클럭 CLK을 L 레벨 상태로 한다.

Description

차지펌프 회로의 제어 방법{METHOD OF CONTROLLING CHARGE-PUMP CIRCUIT}

본 발명은, 전원 전압 Vdd보다 적은 단위(step)로 승압 전압을 출력하는 차지펌프 회로 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 특히 전하 전송 소자에 수반하는 기생 다이오드의 영향을 제거하여 정상적인 차지펌프 동작을 가능하게 하는 차지펌프 회로의 제어 방법에 관한 것이다.

딕슨(Dicson)에 의해 개발된 차지펌프 회로(charge-pump circuit)는, 펌핑 패킷(pumping packet)을 복수단, 직렬 접속하고, 각 펌핑 패킷의 승압(voltage fluctuation)에 의해, LSI 칩의 전원 전압 Vdd보다도 높은 전압을 발생시키는 것이다. 예를 들면, 플래시 메모리(Flash Memories)의 프로그램/소거(program/erase)를 위한 전압을 발생시키기 위해 사용되고 있다.

그러나, 종래의 차지펌프 회로는, 전원 전압 Vdd의 단위로 승압을 행하는 것으로써, 그보다 작은 전압 단위의 승압을 가능하게 하는 것은 제안되지 않았다. 예를 들면, 0.5Vdd 단위의 승압이 가능해지면, 전원 회로의 효율을 대폭 향상시킬 수 있다.

그래서, 본 발명자는 전원 전압 Vdd보다 작은 전압 단위의 승압을 가능하게 함과 함께, 회로의 효율 η을 개선한 차지펌프 회로를 이미 제안하였다.

그 개요를 설명하면 이하와 같다. 도 9 및 도 10은, +0.5Vdd 승압 차지펌프 회로의 구성 및 동작을 도시하는 회로도이다. 이 차지펌프 회로는, 입력 전압 Vdd에 대하여 1.5Vdd의 승압 전압을 작성하는 것이다.

다이오드 D1, D2(전하 전송 소자)가 직렬로 접속되고, 다이오드 D1의 애노드에는 전원 전압 Vdd가 입력 전압 Vin으로서 공급되고 있다. 다이오드 D1, D2는 예를 들면 게이트와 드레인을 공통 접속한 MOS 트랜지스터로 구성할 수 있다. S1, S2, S3은 다이오드 D1, D2의 접속점에, 컨덴서(1, 2)를 병렬 또는 직렬로 전환하여 접속하기 위한 스위치이다.

이들 스위치 S1, S2, S3은, 예를 들면 MOS 트랜지스터로 구성할 수 있다. 참조 번호 3은, 컨덴서(1, 2)에 클럭을 공급하는 클럭 드라이버이다. 즉, 클럭 드라이버(3)의 출력은 컨덴서(2)의 한쪽 단자에 접속되어 있다. 클럭 드라이버(3)로 공급되는 전원 전압은 Vdd이고, 클럭의 진폭의 크기는 Vdd이다. 또한, 클럭 드라이버(3)는, 예를 들면 2단의 CMOS 인버터로 구성된다.

참조 번호 4는, 다이오드 D2로부터 출력되는 승압 전압 Vout이 공급되는 부하이다. 또한, CL은 다이오드 D2의 출력 노드가 갖는 용량이다.

이어서, 이 차지펌프 회로의 동작에 대하여, 도 9, 도 10 및 도 11을 참조하면서 설명한다. 도 11은 이 차지펌프 회로의 동작 파형도이다. 또, 간단하게 하기 위해 다이오드 D1, D2에 의한 전압 강하 VF를 0V로 한다. 또한, 컨덴서(1, 2)의 용량 값은 동일한 것으로 한다.

도 9에 도시한 바와 같이, 클럭 드라이버(3)의 입력 클럭 CLK이 L레벨(CLK=로우 레벨)일 때, S1=오프, S2=온, S3=오프 상태로 하면, 두 개의 콘덴서(1, 2)는, 다이오드 D1, D2의 접속점(펌핑 노드)에 직렬 접속된다. 그러면, 다이오드 D1, D2의 접속점의 전압 V1은 Vdd로 된다. 각 컨덴서(1, 2)는 0.5Vdd로 충전된다.

그 때, 전원 전압 Vdd로부터 다이오드 D1을 통해 컨덴서(1, 2)에 유입된 전류를 Iout로 하면, 클럭 드라이버(3)에는 동일한 전류 Iout가 유입된다.

이어서, 도 10에 도시한 바와 같이 클럭 드라이버(3)의 입력 클럭 CLK가 H 레벨(CLK=하이 레벨)일 때, S1=온, S2=오프, S3=온 상태로 하면, 두 개의 컨덴서(1, 2)는 다이오드 D1, D2의 접속점에 병렬 접속된다. 그렇게 하면, 각 컨덴서(1, 2)의 전압은 Vdd/2이므로, 클럭 드라이버(3)의 출력을 Vdd로 하면, 다이오드 D1, D2의 접속점(펌핑 노드)의 전압 V1은 1.5Vdd로 승압된다.

이 때, 두개의 컨덴서(1, 2)로부터 다음 단의 다이오드 D2로 유출되는 전류는 2Iout로 된다. 클럭 드라이버(3)로부터는 동일한 전류 2Iout가 유출된다.

다이오드 D2로부터 출력되는 출력 전류 2Iout를 일정하게 하고, 각 전류를 모두 시간 평균 전류로 하면, 정상시에는 이하와 같이 된다.

1) Vout=1.5Vdd (단, 드라이버의 전원 전압을 Vdd라고 함)

2) 입력 전류=0.5Iout

3) 클럭 드라이버의 전원 Vdd로부터 유출되는 전류=Iout

본 실시예의 차지펌프 회로의 요점은, 클럭 CLK의 레벨에 따라, 컨덴서(1, 2)를 직렬 접속하여 충전하고, 병렬 접속하여 방전하는 것을 반복함으로써, 0.5Vdd의 단위로 승압을 행하는 것이다. 또한, 여기서 중요한 점은, 클럭 CLK=L일 때, 전원 전압 Vdd로부터의 입력 전류 Iin=Iout가 출력 전류 2Iout의 1/2이라는 점이다. 이에 따라, 출력 전압의 조절을 행하지 않은 경우의 회로의 이론 효율 η를 100%로 할 수 있으며, 승압 전압을 1.5Vdd로 한 것에 의한 전력 손실은 없다.

즉, 입력 전류는 CLK=H일 때의 2Iout와, CLK=L일 때의 Iout와의 합이 되기 때문에,

차지펌프 회로의 효율 η=출력 전력/입력 전력

=(1+0.5)Vdd×Iout/Vdd×(1+0.5)×Iout

=1=100%

따라서, 상술한 차지펌프 회로는 실질적으로 0.5단 차지펌프 회로라고 할 수있다. 또한, 회로의 이론 효율 η은 100%라고 할 수 있다. 0.5Vdd라는 전압을 만드는 방법은 그 외에도 생각할 수 있다. 예를 들면, 저항 분할에 의한 방법이다. 그러나, 회로의 효율 η를 100%로 할 수 없으며, 전력 손실을 수반하는 것이다.

그에 비하여, 본 발명자가 제안한 차지펌프 회로에서는, 컨덴서의 접속을 클럭 CLK의 레벨에 따라, 병렬과 직렬로 교대로 전환하고 있으므로, 전력 손실을 이론적으로 0%로 할 수 있다.

또한, 두개의 컨덴서(1, 2)를 클럭 CLK인 상태와 무관하게, 직렬로 한 상태에서 동작시키면(S1=오프, S2=온, S3=오프), 종래의 차지펌프와 동일한 기능을 하여, Vout=2Vdd로 된다. 이 경우, 스위치 제어 회로(도시되지 않음)를 설치하고, 이 스위치 제어 회로로부터 스위치 S1, S2, S3에 스위치 제어 신호를 공급함에 따라, 두개의 컨덴서(1, 2)를 항상 직렬로 접속하거나 클럭 CLK의 전압 레벨에 따라 직렬 또는 병렬로 접속을 전환 가능하게 하도록 구성된다.

즉, 본 실시예의 차지펌프 회로는, 출력 전압 Vout으로서, 1.5Vdd, 혹은 2Vdd를 얻을 수 있다. 즉, 0.5단과 1단과의 전환이 가능하다.

그러나, 본 발명자가 예의 검토한 바, 도 9의 상태로부터 도 10의 상태로 천이하는 경우, 반대로 도 10의 상태로부터 도 9의 상태로 천이하는 경우에, 클럭 CLK의 변화의 타이밍과 스위치 S1, S2, S3의 전환 타이밍을 조정하지 않으면 오동작이 발생하는 것을 알았다.

예를 들면, 도 9의 상태로부터 도 10의 상태로 천이시키는 경우, 스위치 S2가 온인 상태에서, 클럭 CLK를 L 레벨로부터 H 레벨로 변화시키면, 다이오드 D1, D2의 접속점의 전압 V1은 2Vdd로 된다.

또한, 도 10의 상태에서 도 9의 상태로 천이시키는 경우, 스위치 S1, S3이 온인 상태에서, 클럭 CLK을 H 레벨로부터 L 레벨로 변화시키면, 다이오드 D1, D2의 접속점의 전압 V1은 0.5Vdd로 된다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 전원 전압 Vdd 이하의 작은 단위의 승압을 행하는 차지펌프 회로의 오동작을 방지하는 것을 목적으로 하고 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차지펌프 회로의 제어 방법을 도시한 회로도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차지펌프 회로의 제어 방법을 도시한 회로도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차지펌프 회로의 제어 방법을 도시한 회로도.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차지펌프 회로의 제어 방법을 도시한 회로도.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 차지펌프 회로의 제어 방법을 도시한 회로도.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 차지펌프 회로의 제어 방법을 도시한 회로도.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 차지펌프 회로의 제어 방법을 도시한 타이밍도.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 차지펌프 회로의 제어 방법을 도시한 회로도.

도 9는 종래예의 차지펌프 회로의 구성 및 동작을 도시한 회로도.

도 10은 종래예의 차지펌프 회로의 구성 및 동작을 도시한 회로도.

도 11은 종래예의 차지펌프 회로의 동작을 도시한 파형도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1, 2 : 컨덴서

3 : 클럭 드라이버

D1, D2 : 다이오드

S1, S2, S3 : 스위치

그래서, 본 발명의 차지펌프 회로의 제어 방법은, 클럭 CLK의 변화의 타이밍과 스위치 S1, S2, S3의 전환 타이밍을 조정한 것이다. 즉, 다음 ①∼⑦의 단계에 따라 제어를 행한다.

① 클럭 CLK이 L 레벨인 상태에서, 스위치 S2(제1 스위치 수단)를 온으로 함으로써, 컨덴서(1, 2)를 직렬로 접속한다.

② 스위치 S2를 오프 상태로 한다.

③ 클럭 CLK를 H 레벨의 상태로 한다.

④ 스위치 S1, S3(제2 스위치 수단)을 온 상태로 함으로써 컨덴서(1, 2)를 병렬로 접속한다.

⑤ 스위치 S1, S3을 오프 상태로 한다.

⑥ 클럭 CLK를 L 레벨의 상태로 한다.

⑦ 상기 ①∼⑥의 단계를 반복한다.

<발명의 실시예>

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1 내지 도 6은 +0.5Vdd의 승압 전압을 출력하는 차지펌프 회로의 구성 및 동작을 도시한 회로도이다. 이 차지펌프 회로는 입력 전압 Vdd에 대해, +1.5Vdd의 승압 전압을작성한다.

차지펌프 회로의 구성은, 제어 방법을 제외하면 도 9 및 도 10에 도시한 것과 마찬가지이므로, 설명을 생략한다.

이하에서는, 도 1 내지 도 7을 참조하면서, 상술한 구성의 차지펌프 회로의 제어 방법을 설명한다. 도 7은, 차지펌프 회로의 제어 방법을 도시한 제1 타이밍도이다.

또, 클럭 드라이버(3)의 전원 전압은, 입력 전압과 동일한 Vdd(예를 들면 5V)로 하고, 컨덴서(1, 2)의 용량 값은 동일한 것으로 한다. 다이오드 D1, D2(전하 전송 소자)와 스위치 S1, S2, S3에 기인하는 전압 강하도 0V로 하여 설명한다. 또한, 스위치 S1, S2, S3의 온 오프의 제어는 도시되지 않는 제어 회로에 의해 행해지는 것으로 한다.

(1) 제1 제어 단계

시각 t1에서, 클럭 드라이버(3)의 입력 클럭 CLK이 L 레벨인 상태에서 스위치 S2를 온 상태로 한다(스위치 S1, S3은 오프되어 있음). 이에 따라, 두개의 컨덴서(1, 2)는 펌핑 노드에 대하여 직렬로 접속된다. 그러면, 컨덴서(1, 2)는 각각 0.5Vdd의 전압으로 충전되고, 펌핑 노드의 전압 V1은 Vdd로 된다. 또한 도면 중, VA=VB=0.5Vdd, VC=0V로 된다. 입력 전류 Iout는 다이오드 D1을 통과하여, 클럭 드라이버(3)에 Iout가 유입된다(도 1, 도 7 참조). 또, 도면 중 VA는 컨덴서(1)와 스위치 S2와의 접속점의 전압, VB는 스위치 S2와 컨덴서(2)와의 접속점 전압, VC는 컨덴서(2)와 클럭 드라이버(3)와의 접속점의 전압이다.

(2) 제2 제어 단계

이어서, 시각 t2에서, 다음에 클럭 CLK가 L 레벨인 상태에서, 스위치 S2가 오프 상태가 된다. 이에 따라 스위치 S1, S2, S3은 모두 오프 상태가 된다. 각 노드의 전압은 그대로 유지된다(도 2, 도 7 참조).

(3) 제3 제어 단계

이어서, 시각 t3에서 스위치 S1, S2, S3은 모두 오프 상태를 유지한 상태에서, 클럭 CLK를 L 레벨로부터 H 레벨로 변화시킨다(CLK=H). 그러면, 컨덴서 커플링 효과에 의해 VB=1.5Vdd로 된다(도 3, 도 7 참조).

(4) 제4 제어 단계

이어서, 시각 t4에서 스위치 S1, S3을 온 상태로 한다. 그렇게 하면 컨덴서(1, 2)가 펌핑노드에 병렬로 접속되므로, 펌핑 노드의 전압 V1은 1.5Vdd로 변화한다. 이 때, VA=Vdd, VB=1.5Vdd이다. 이 때, 클럭 드라이버(3)로부터 전류 2Iout가 컨덴서(1, 2)에 흐른다. 또한, 다이오드 D2에 이것과 같은 전류 2Iout가 흐른다(도 4, 도 7 참조).

(5) 제5 제어 단계

이어서, 시각 t5에서 클럭 CLK를 H 레벨로 유지한 상태에서, 스위치 S1, S3을 오프 상태로 한다. 이에 따라, 스위치 S1, S2, S3은 모두 오프로 하고, 각 노드의 전압은 그대로 유지시킨다(도 5, 도 7 참조).

(6) 제6 제어 단계

이어서, 시각 t6에서 스위치 S1, S2, S3은 모두 오프로 한 상태에서, 클럭CLK를 H 레벨로부터 L 레벨로 변화시킨다(도 6, 도 7 참조).

그 후에는, 상기한 제1 제어 단계로 복귀되어, 제1 제어 단계∼제6 제어 단계를 반복한다.

상술한 차지펌프 회로의 제어 방법에 따르면, 클럭 CLK의 변화의 타이밍과, 스위치 S1, S2, S3의 온 오프의 타이밍을 조정한 결과, 펌핑 노드의 전압 V1은 Vdd∼1.5Vdd 사이에서 변화하므로, 차지펌프 동작이 정상적으로 행해지지 않는 문제점이 방지된다.

또한, 본 실시예에서는, +0.5Vdd의 승압 전압을 출력하는 1단의 차지펌프 회로에 대한 적용예를 나타내었지만, 본 발명은 차지펌프의 단 수를 증가시킴에 따라, +1.5Vdd의 승압 전압을 출력하는 2단의 차지펌프 회로에도 적용할 수 있다.

일반적으로는, 본 실시예의 차지펌프 회로를 코어로서 내장한 다단의 차지펌프 회로에 적용할 수 있다.

이러한 다단의 차지펌프 회로에서는, 도 8에 도시한 바와 같이 예를 들면 1단째에서 +0.5Vdd의 전압을 출력하고, 2단째 이상에서는 딕슨형의 일반적인 차지펌프 회로의 구성으로 된다. 또, 도 8의 차지펌프 회로에서는 Vout=3.5Vdd로 된다.

또한, 본 실시예의 차지펌프 회로는 두개의 컨덴서(1, 2)를 직렬과 병렬로 전환하여 +0.5Vdd의 전압 단위의 승압을 행하는 타입이지만, 2개이상의 컨덴서를 직렬, 병렬로 전환함에 따라, 더 작은 전압 단위의 승압을 행할 수 있다. 본 발명은, 그와 같은 차지펌프 회로에도 적용할 수 있는 것이다. 또한, 스위치 S1, S2, S3은 MOS 트랜지스터로 구성할 수 있다. 또한, 다이오드 D1, D2는 게이트와 드레인을 접속한 MOS 트랜지스터로 구성할 수 있다.

본 발명의 차지펌프 회로의 제어 방법에 따르면, 펌핑 노드에 컨덴서를 직렬과 병렬로 결합시키는 것을 반복함에 따라, 전원 전압 이하의 단위로 승압을 행하는 차지펌프 회로에서, 펌핑 노드가 과도하게 이상 전압이 되는 것이 방지되므로, 이러한 차지펌프 동작을 정상적으로 행할 수 있음과 함께, 전력 효율도 향상시키는 효과를 갖는다.

Claims

직렬로 접속된 제1 및 제2 전하 전송 소자와, 제1 및 제2 컨덴서와, 제2 컨덴서의 일단에 클럭을 공급하는 클럭 공급 수단과, 상기 제1 및 제2 컨덴서를 제1 및 제2 전하 전송 소자의 접속점에 직렬로 접속하기 위한 제1 스위치 수단과, 상기 제1 및 제2 컨덴서를 제1 및 제2 전하 전송 소자의 접속점에 병렬로 접속하기 위한 제2 스위치 수단을 구비하며, 상기 제2 전하 전송 소자로부터 플러스의 승압 전압을 출력하는 차지펌프 회로의 제어 방법에 있어서,

상기 클럭이 저레벨인 상태에서 상기 제1 스위치 수단을 온 상태로 함으로써 상기 제1 및 제2 컨덴서를 직렬로 접속하는 제1 단계와,

상기 제1 스위치 수단을 오프 상태로 하는 제2 단계와,

상기 클럭을 고레벨 상태로 하는 제3 단계와,

상기 제2 스위치 수단을 온 상태로 함으로써 상기 제1 및 제2 컨덴서를 병렬로 접속하는 제4 단계와,

상기 제2 스위치 수단을 오프 상태로 하는 제5 단계와,

상기 클럭을 저레벨 상태로 하는 제6 단계

를 포함하고,

상기 제1∼제6 단계를 반복하는 것을 특징으로 하는 차지펌프 회로의 제어 방법.
제1항에 있어서,

상기 제1 및 제2 전하 전송 소자는 다이오드인 것을 특징으로 하는 차지펌프 회로의 제어 방법.
제1항에 있어서,

상기 제1 및 제2 전하 전송 소자는 MOS 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 차지펌프 회로의 제어 방법.