KR20100106472A

KR20100106472A - 전하 펌프 컨버터 및 그 제작 방법

Info

Publication number: KR20100106472A
Application number: KR1020107015338A
Authority: KR
Inventors: 하산 차오우이
Original assignee: 세미컨덕터 콤포넨츠 인더스트리즈 엘엘씨
Priority date: 2008-01-31
Filing date: 2008-01-31
Publication date: 2010-10-01
Also published as: HK1155860A1; US20100225383A1; KR101500961B1; TWI439027B; CN102017397B; TW200937818A; WO2009099431A2; CN102017397A; US7821325B2; WO2009099431A3

Abstract

본 발명의 일실시예에 따라 제작되는 전하 펌프 컨버터는 출력 전압의 다양한 값들을 이용하여 전하 펌프 컨버터의 충전 사이클 중 충전 전류의 값을 선택적으로 제어하게 된다.

Description

전하 펌프 컨버터 및 그 제작 방법{CHARGE PUMP CONVERTER AND METHOD THEREFOR}

본 발명은 전자 장치에 관한 발명으로서, 특히, 반도체 소자 및 구조물을 형성하기 위한 방법에 관한 발명이다.

과거에 반도체 산업은 전하 펌프 컨버터 회로 형성을 위해 다양한 방법 및 구조를 이용하였다. 이러한 전하 펌프 컨버터 회로들은 일반적으로, 배터리같은 에너지원으로부터 전압을 수신하는 데 사용되었고, 또한, 입력 전압 값에 비례하는 다양한 출력 전압을 생성하는 데 사용되었다. Energy-Star같은 에너지 절약 규약의 구현으로 인해, 전하 펌프 컨버터가 에너지원으로부터 에너지를 좀더 효율적으로 이용하는 것이 중요해지고 있다. 일부 예의 경우, 부하에 인가되는 전류의 양을 조정하기 위해 부하에 공급되는 전류의 값을 전하 펌프 컨버터가 모니터링하였다. 그러나 이러한 예는 모든 에너지 절약 규약에 부합시킴에 있어 일반적으로 효율적이지 못하다.

따라서, 고효율 저비용의 전하 펌프 컨버터가 바람직하다고 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 전하 펌프 컨버터를 포함하는 전하 펌프 컨버터 시스템의 일부분에 대한 개략적 도면.
도 2는 본 발명에 따른 도 1의 전하 펌프 컨버터를 포함하는 반도체 소자의 확대 평면도.

설명의 명료성을 위해, 도면 내 요소들이 축적에 따라 그려지지 않았으며 여러 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 소자를 나타낸다. 잘 알려진 단계들 및 요소들에 대한 세부적 설명은 생략하였다. 본 발명에서 '전류 운반 전극'이라 함은, 다이오드의 애노드나 캐소드, 또는 바이폴러 트랜지스터의 컬렉터나 에미터, 또는 MOS 트랜지스터의 소스나 드레인같은 소자를 통과하는 전류를 운반하는 (소자의) 요소를 의미한다. '제어 전극'이라 함은, 바이폴러 트랜지스터의 베이스, MOS 트랜지스터의 게이트같은 소자를 통과하는 전류를 제어하는 (소자의) 요소를 의미한다. 이 소자들이 본 발명에서 N-채널 또는 P-채널 소자로 언급되지만, 본 발명에 따라 보완형 소자들도 가능하다는 것을 당 업자라면 이해할 수 있을 것이다. 또한 본 발명에서 사용되는 "~할 때", "~하는 동안", "~하는 중에"라는 표현은 개시 동작 직후 순간적으로 나타나는 반응만을 의미하는 것이 아니라, 초기 동작에 의해 개시되는 반응들 간에 전파 지연같은 작지만 이유있는 지연이 존재할 수도 있음을 의미한다. "대략" 또는 "실질적인"이라는 용어는 지정된 값이나 위치에 매우 가까울 것이라고 기재되는 파라미터를 가진 요소의 값을 의미한다. 그러나, 당 업계에 잘 알려진 바와 같이, 이러한 값들이나 위치들이 지정된 바와 정확하게 같아지는 것을 막는 사소한 변화들이 항상 존재한다.

도 1은 전하 펌프 컨버터 시스템(10)의 일부분에 대한 개략적 도면으로서, 상기 전하 펌프 컨버터 시스템(10)은 배터리(11)로부터 입력 전압을 수신하여 출력 커패시터(14)의 양 단의 출력 전압을 형성한다. 시스템(10)은 전하 펌프 컨버터(20)를 포함하며, 상기 컨버터(20)는 배터리(11)로부터 입력 전압을 수신하여, 출력 전압 형성을 위해 커패시터(14)의 충전을 제어한다. 컨버터(20)는 커패시터(14) 간 출력 전압 형성을 위해 플라잉 커패시터(17)의 충전 및 방전을 제어한다. 커패시터(14)는 부하(16)로 향하는 부하 전류와 전력의 공급을 돕는다. 부하(16)는 발광 다이오드로부터 광 방출을 위해 전류 소스와 직렬로 연결된 발광 다이오드를 포함한다. 그러나, 부하(16)가 이와는 다른 종류의 부하일 수도 있다.

전하 펌프 컨버터(20)는 배터리(11)로부터 수신한 다양한 값의 입력 전압에 따라 선택적으로 동작하도록 연결된 복수의 트랜지스터를 포함한다. 이러한 복수의 트랜지스터들은 컨버터(20)에 의해 형성되는 충전 사이클 중 플라잉 커패시터(17)를 충전하기 위해 충전 전류(Ic)를 제공하도록 선택적으로 동작한다. 입력 전압 값이 감소함에 따라, 컨버터(20)는 동작하는 복수의 트랜지스터들 중 동작되는 트랜지스터의 수를 선택적으로 증가시켜서 커패시터(17)를 충전하기 위해 공급되는 충전 전류(Ic)의 값을 제어할 수 있게 된다. 컨버터(20)는 입력 전압 수신을 위해 배터리(11)의 양단자(12) 및 음단자(13)에 각각 연결되는 전압 입력(21)과 전압 리턴(22)을 포함한다. 컨버터(20)의 커패시터 단자(25, 26)들은 플라잉 커패시터(17)에 연결되도록 구성되고, 출력 단자(23)는 커패시터(14)에 연결되도록 구성되어, 커패시터(14)를 요망하는 값의 출력 전압으로 충전시킬 수 있게 된다.

컨버터(20)는 복수의 클럭 신호를 발생시키는 클럭 회로 또는 클럭(28)을 포함하며, 이때, 복수의 클럭 신호에는 컨버터(20)의 충전 사이클 중 인가되는 충전 클럭(C) 신호와, 컨버터(20)의 방전 사이클 중 인가되는 방전 클럭(D) 신호가 포함된다. 충전 클럭(C) 신호와 방전 클럭(D) 신호는 서로 위상이 다른 것이 일반적이며, 충전 사이클과 방전 사이클 간의 오버랩 방지를 보장하고자 두 신호 모두 인가되지 않는 짧은 시간 구간을 포함할 수 있다. 트랜지스터(31-39)들은 커패시터(17) 충전에 사용되는 충전 전류(Ic)를 공급하도록 구성된다. 또 다른 복수의 트랜지스터(57-65)들이 방전 전류(Id)를 공급하도록 구성된다. 이러한 방전 전류(Id)는 출력 커패시터(14) 충전에 사용되고 플라잉 커패시터(17) 및 배터리(11)로부터 부하(16)에 전류를 공급하는 데 사용된다. 입력 전압을 제어 회로(80)가 수신하여, 복수의 제어 신호가 형성되게 된다. 복수의 제어 신호는 충전 사이클 중 입력 전압의 다양한 값들에 따라 트랜지스터(32-35)의 상태를 제어하는 것을 보조하고, 방전 사이클 중 입력 전압의 다양한 값에 따라 트랜지스터(58-61)의 상태를 제어하는 것을 보조한다. 제어 회로(80)는 복수의 NAND 게이트(43-46)와 복수의 NAND 게이트(68-71)를 포함하며, 복수의 NAND 게이트(43-46)는 각각 트랜지스터(32-35)의 상태를 제어하는 것을 보조하고, 복수의 NAND 게이트(68-71)는 각각 트랜지스터(58-61)의 상태를 제어하는 것을 보조한다. 도 1에 도시된 제어 회로(80)의 실시예는 입력 전압의 순간값을 나타내는 네 가지의 센스 신호를 형성하는 저항기(81-85)의 저항 디바이더와, 기준 신호를 형성하는 기준 신호 발생기(ref)(88-91)와, 네 개의 센스 신호를 수신하여 기준 신호 발생기(92)로부터의 기준 신호에 네 개의 센스 신호를 비교하는 비교기(88-91)를 포함한다.

컨버터(20)의 또 다른 제어 회로가 출력 전압 및 입력 전압을 수신하여, 복수의 제어 신호를 형성한다. 이러한 복수의 제어 신호는 충전 사이클 중 출력 전압의 다양한 값과 입력 전압 간의 차이에 따라 트랜지스터(36-39)의 상태를 제어하는 것을 보조하고, 방전 사이클 중 출력 전압의 다양한 상태와 입력 전압 간의 차이에 따라 트랜지스터(62-65)의 상태를 제어하는 것을 돕는다. 제어 회로(94)는 트랜지스터(36-39)의 상태 제어를 돕는 복수의 NAND 게이트(47-50)와, 트랜지스터(62-65)의 상태 제어를 돕는 복수의 NAND 게이트(72-75)를 포함한다. 도 1에 도시된 제어 회로(49)의 일실시예는 저항기(95-99)의 저항 디바이더와, 저항기(106, 107)의 또 다른 저항 디바이더를 포함한다. 저항기(95-99)의 저항 디바이더는 출력 전압을 수신하여, 출력 전압의 순간값을 나타내는 다양한 센스 신호를 형성한다. 저항기(106, 107)의 저항 디바이더는 입력 전압의 순간값을 나타내는 노드(108) 상의 기준 신호를 형성한다. 복수의 비교기(101-104)가 저항기(95-99)의 저항 디바이더로부터 센스 신호들을 수신하여, 이들을 저항기(106, 107)로부터의 기준 신호와 비교하고, 복수의 제어 신호를 형성한다.

동작 시에, 충전 클럭(C) 신호는 하이(High) 상태로 되어 C 신호를 인가하고 방전 클럭(D) 신호는 로우(Low) 상태가 되어 D 신호를 무효화시킨다. C 신호와 D 신호의 이러한 상태들은 컨버터(20)의 충전 사이클을 나타낸다. D 신호가 로우 상태이면, 인버터(54)의 출력이 하이(High) 상태로 되어 트랜지스터(53)가 동작하지 않게 된다. D 신호가 로우 상태이면, 인버터(67)의 출력이 하이 상태가 되고 게이트(68-75)의 출력 역시 하이 상태가 되어 모든 트랜지스터(57-65)들을 동작정지하게 만든다. C 신호가 하이 상태가 되면, 트랜지스터(77)가 동작하여 하판 커패시터(17)를 전압 리턴(22)에 연결시킨다. C 신호가 하이 상태가 되면, 인버터(42)의 출력이 로우 상태로 되어 트랜지스터(31)를 동작시키게 된다. 트랜지스터(31)가 동작함으로써, 단자(25)가, 따라서, 커패시터(17)의 상판이 전압 입력(21)에 연결되게 된다. 결과적으로, 커패시터(17)가 배터리(11)와 병렬로 연결되고, 충전 전류 Ic가 배터리(11)로부터 트랜지스터(31)를 통해 출력(25)까지 흐르게 된다. 이에 따라 커패시터(17)의 충전이 시작된다. 추가적으로, 제어 회로(80)는 이 충전 사이클 중 트랜지스터(32-35)의 상태를 결정하는 복수의 제어 신호를 형성한다. 배터리(11)가 고압으로 충전되면, 각 비교기(88-91)의 반전 입력 상에 수신되는 전압이 기준 신호 발생기(92)로부터의 기준 신호보다 클 수 있고, 따라서, 비교기(88-91)의 각각의 출력이 로우 상태가로 될 것이다. 비교기(88)로부터의 출력이 로우 상태일 경우, 게이트(43)의 출력이 하이 상태가 되고 트랜지스터(32)가 동작정지하게 된다. 마찬가지로, 각 비교기(88-91)로부터의 출력이 로우 상태일 경우, 각 게이트(44-46)의 출력이 하이 상태가 되어 각 트랜지스터(33-35)를 동작정지시키게 된다. 트랜지스터(31)만이 동작하기 때문에, 충전 전류 Ic의 값이 모든 트랜지스터(32-35)가 동작하는 경우의 값에 비해 낮을 것이다. 배터리(11)로부터의 입력 전압의 값이 낮아서, 비교기(91)의 반전 입력이 기준 신호 발생기(92)로부터의 기준 신호 값보다 작게 될 경우, 비교기(91)의 출력이 하이 상태로 될 것이다. 비교기(91)로부터의 출력이 하이 상태이고 C 신호가 하이 상태일 경우, 게이트(46)의 출력이 로우 상태로 되어 트랜지스터(35)가 동작하게 된다. 트랜지스터(31, 35)를 병렬로 동작시키면, 트랜지스터의 직렬 저항이 감소하여 입력 전압이 낮을 때 충전 전류 Ic의 값을 증가시키게 된다. 배터리(11)로부터의 전압의 값이 더 낮아질 경우, 비교기(90)의 출력 역시 하이 상태가 되어 게이트(45)를 통해 트랜지스터(34)를 동작시키게 되고, 이에 따라, 저항이 감소하고 전류 Ic의 값이 증가하게 된다. 입력 전압이 추가적으로 감소하면, 비교기(89)의 출력이 또한 하이 상태로 되어 게이트(44)를 통해 트랜지스터(33)를 동작시키게 된다. 입력 전압이 추가적으로 감소하면 비교기(88)의 출력이 하이 상태로 되어 게이트(43)를 통해 트랜지스터(32)를 추가적으로 동작시키게 된다. 살펴본 바와 같이, 각각의 트랜지스터(32-35)는 충전 사이클 중 입력 전압의 여러가지 값에 따라 선택적으로 동작하여, 충전 전류 Ic의 값을 변화시키게 된다. 입력 전압이 높을 경우, 컨버터(20)에 의해 형성되는 저항이 높아져서 커패시터(17)를 천천히 충전시키게 되고 스파이크나 인-러시 전류(in-rush current)가 커지는 것을 방지하게 된다. 입력 전압의 값이 감소함에 따라 충전 전류의 값을 선택적으로 제어함으로써 배터리(11)의 수명을 연장시킬 수 있고 시스템(10)이 더욱 효율적으로 동작하게 된다.

제어 회로(94)는, 충전 사이클 중 트랜지스터(36-39)를 선택적으로 동작시켜서, 충전 전류 Ic의 값을 추가로 제어하고 인-러시 전류의 값을 제한하도록 사용되는 복수의 제어 신호도 형성한다. 출력 커패시터(14)가 초기에 방전되고 출력 전압이 0 볼트에 가깝다고 가정할 때, 입력 전압은 출력 전압보다 크고, 노드(108) 상에서 입력 전압으로부터 수신되고 비교기(101-104)의 반전 입력에 의해 수신되는 기준 신호는 비교기(101-104)의 비-반전 입력 상의 출력 전압으로부터 수신되는 센스 신호들보다 크다. 따라서, 비교기(101-104)에 의해 형성되는 모든 제어 신호들이 로우 상태이거나 무효화된다. 비교기(101)로부터의 신호가 로우 상태이기 때문에 게이트(47)의 출력이 하이 상태가 되어 트랜지스터(36)를 동작정지시키게 된다. 마찬가지로, 비교기(102-104)로부터의 신호가 로우 상태이면 각 게이트(48-50)의 출력이 하이 상태로 되어 트랜지스터(37-39)를 동작정지시키게 된다. 결과적으로, 제어 회로(94)에 의해 형성되는 제어 신호가 트랜지스터(36-39)를 선택적으로 동작정지시키고 충전 전류 Ic의 값에 영향을 미치지 않게 된다. 커패시터(14) 상의 출력 전압 값이 클 경우, 비교기(101)의 비-반전 입력의 센스 신호가 기준 신호보다 클 수 있고, 이는 비교기(101)의 출력에서 제어 신호를 상승시켜서 게이트(47)를 통해 트랜지스터(36)를 동작시키게 된다. 트랜지스터(36)가 동작함으로써, 출력 전압의 한 개의 값과 입력 전압의 값들 간 차이에 따라 충전 전류 Ic 값을 증가시키고 직렬 저항이 감소하게 된다. 커패시터(14) 상에 형성되는 출력 전압 값이 클 경우, 비교기(102)의 출력이 또한 하이 상태로 되어 게이트(48)를 통해 트랜지스터(37)가 동작하게 되고 직렬 저항이 추가적으로 감소하게 되며 충전 전류 Ic 값이 증가하게 된다. 출력 전압이 추가적으로 증가함으로써, 비교기(103)의 출력이 역시 하이 상태로 되고, 게이트(49)를 통해 트랜지스터(38)가 동작하게 된다. 또한, 출력 전압이 추가적으로 증가하면 비교기(104)의 출력이 하이 상태로 되고 게이트(50)를 통해 트랜지스터(39)가 동작하게 된다. 입력 전압의 값이 상승하여 노드(108) 상의 기준 신호가 출력 전압의 값 중 하나보다 커질 경우, 비교기(101-104)는 충전 전류 Ic의 값을 선택적으로 감소시켜서 배터리(11)로부터 큰 전류가 커패시터(17)를 충전시키는 것을 방지하게 된다. 따라서, 제어 회로(94)는 저항기(95-99)에 의해 형성되는 출력 전압의 값들과 입력 전압 간의 차이에 따라 충전 전류 Ic의 값을 선택적으로 제어하게 된다. 출력 전압이 입력 전압의 값이나 차이 비보다 작을 경우, 컨버터(20)에 의해 형성되는 낮은 저항에 의해 배터리(11) 및 커패시터(17)로부터 커패시터(14)로 충전이 천천히 이루어지게 되고 따라서, 전류 스파이크나 인-러시 전류가 커지는 것을 방지하게 된다. 출력 전압과 입력 전압 간의 차이에 따라 충전 전류의 값을 선택적으로 제어함으로써, 배터리(11)의 수명이 연장되고 시스템(10)이 더욱 효율적으로 동작하게 된다.

제 1 시간 구간 이후, 클럭(28)이 충전 클럭(C) 신호를 로우 상태로 만들고 이어서 방전 클럭(D) 신호를 하이 상태로 만들어서 컨버터(20)의 방전 사이클을 형성하게 된다. C 신호가 로우 상태이면, 인버터(42)의 출력과 NAND 게이트(43-50)의 출력이 하이 상태로 되어 모든 트랜지스터(31-39)의 동작이 정지하게 된다. C 신호가 로우 상태이면 트랜지스터(77)의 동작 또한 정지하게 되고, 이는 리턴(22)으로부터 커패시터(17)를 분리시킨다. D 신호가 하이 상태이면 인버터(54)의 출력이 로우 상태가 되어 트랜지스터(53)가 동작하게 된다. 이는 단자(23)를 커패시터(17)의 양으로 충전된 판과 단자(25)에 연결시키게 된다. D 신호가 하이 상태이면 인버터(67)의 출력 역시 로우 상태가 되어 트랜지스터(57)를 동작시키게 된다. 동작하는 트랜지스터(57)는 입력(21)으로부터 입력 전압을 수신하도록 커패시터(17)의 하판(즉, 음으로 대전된 판)을 연결시키고, 방전 전류 Id를 공급하여 커패시터(17) 및 배터리(11)로부터 커패시터(14)의 충전을 개시하게 된다. 제어 회로(80)는 복수의 제어 신호를 형성하여, 충전 사이클 중 제어 회로(80)의 복수의 제어 신호들에 사용되었던 바와 유사하게, 방전 사이클 중 입력 전압의 다양한 값에 따라 트랜지스터(58-61)들을 선택적으로 동작시킨다. 결과적으로, 비교기(88)의 반전 입력에서의 신호가 기준 신호 발생기(92)로부터의 기준 신호보다 작도록 입력 전압이 낮은 경우, 제어 회로(80)의 모든 제어 신호들이 하이 상태가 되어 모든 트랜지스터(58-61)들을 동작시키게 한다. 이보다 높은 입력 전압 값의 경우, 비교기(88)가 제어 신호를 로우 상태로 만들어서 트랜지스터(58)의 동작을 정지시킨다. 그 다음으로 높은 입력 전압 값의 경우, 비교기(89)가 로우 상태의 제어 신호로 트랜지스터(59)의 동작을 정지시키며, 이보다 더 높은 입력 전압 값은 비교기(90)로 하여금 로우 상태의 제어 신호로 트랜지스터(60)의 동작을 정지시키게 된다. 더 높은 입력 전압 값은 비교기(91)로 하여금 하이 상태의 제어 신호로 트랜지스터(61)를 동작하게 한다. 이와 같이, 각각의 트랜지스터(58-61)가 방전 사이클 중 입력 전압의 여러가지 값에 따라 선택적으로 동작하여, 방전 사이클 중 방전 전류 Id의 값을 제어할 수 있게 된다. 입력 전압이 높으면, 컨버터(20)에 의해 높은 저항이 형성되어 배터리(11) 및 커패시터(17)로부터 커패시터(14)로의 충전이 느리게 이루어지고 이에 따라 전류 스파이크나 인-러시 전류가 커지지 않게 된다. 입력 전압의 다양한 값에 따라 방전 전류 Id의 값을 선택적으로 제어함으로써, 배터리(11)의 수명이 길어지고 시스템(10)이 더욱 효율적으로 동작하게 된다.

충전 사이클 중 제어 회로(94)에 대해 설명한 동작과 마찬가지로, 방전 사이클 중 제어 회로(94)는 출력 전압의 값들과 입력 전압 간의 차이에 따라 트랜지스터(62-65)들을 선택적으로 동작시킨다. 출력 전압의 순간 값과 입력 전압의 순간 값간 차이가 충분히 작아서 노드(108) 상의 기준 신호보다 비교기(101)의 비-반전 입력이 작게 될 경우, 모든 비교기(101-104)들의 신호가 로우 값을 가져서 모든 트랜지스터(62-65)들을 선택적으로 동작정지시키게 된다. 입력 전압이 감소하거나 출력 전압이 증가할 경우(가령, 커패시터(17)를 충전하는 경우, 등), 그리고 출력 전압이 저항기들에 의해 제공되는 입력 전압의 비로 정의된 임계치에 도달할 수 있을 경우, 비교기(101)의 출력이 하이 상태로 되어 게이트(72)를 통해 트랜지스터(62)가 동작하게 된다. 마찬가지로, 출력 전압이 추가적으로 상승하면(또는 입력 전압이 추가적으로 감소하면), 입력 전압의 제 2 비, 제 3 비, 제 4 비로 규정된 제 2, 제3, 제 4 임계치에 도달하게 되고, 이에 따라 비교기(102), 비교기(103), 비교기(104)가 순서에 따라 선택적으로 트랜지스터(63), 트랜지스터(64), 트랜지스터(65)를 동작시킬 수 있다. 이와 같이, 제어 회로(94)는 입력 전압의 순간 값과 출력 전압의 순간 값 간의 복수의 차이에 따라 방전 전류 Id의 값을 선택적으로 제어하도록 구성된다. 출력 전압의 값이 입력 전압의 여러 가지 비보다 작을 경우, 컨버터(20)에 의해 형성되는 낮은 저항이 방전 전류 Id를 천천히 제공하여, 전류 스파이크나 인-러시 전류가 커지지 못하게 한다. 입력 전압과 출력 전압의 값들 간의 차이에 따라 방전 전류 Id의 값을 선택적으로 제어함으로써, 배터리(11)의 수명이 길어지고 시스템(10)의 동작 효율이 개선된다.

컨버터(20)의 이러한 기능을 촉진시키기 위해, 클럭(28)의 충전 클럭 출력이 트랜지스터(77)의 게이트에, 인버터(42)의 입력에, 그리고, 게이트(43-50)의 각각의 입력에 공통적으로 연결된다. 인버터(42)의 출력은 트랜지스터(31)의 게이트에 연결된다. 트랜지스터(31)의 소스는 입력(21)에, 저항기(81)의 제 1 단자에, 트랜지스터(32-39)의 각각의 소스에, 그리고 저항기(106)의 제 1 단자에 공통적으로 연결된다. 트랜지스터(31)의 드레인이 각 트랜지스터(32-39)의 드레인에, 트랜지스터(53)의 소스에, 그리고 단자(25)에 연결된다. 클럭(28)의 방전 클럭 출력은 인버터(54)의 입력에, 인버터(67)의 입력에, 그리고, 게이트(68-75)들의 제 1 입력에 연결된다. 비교기(88)의 반전 입력은 저항기(81)의 제 2 단자와 저항기(82)의 제 1 단자에 연결된다. 비교기(89)의 반전 입력은 저항기(82)의 제 2 단자와 저항기(83)의 제 1 단자에 연결된다. 비교기(90)의 반전 입력은 저항기(83)의 제 2 단자와 저항기(84)의 제 1 단자에 연결된다. 비교기(91)의 반전 입력은 저항기(84)의 제 2 단자와 저항기(85)의 제 1 단자에 연결된다. 저항기(85)의 제 2 단자는 리턴(22)에 연결된다. 기준 신호 발생기(ref)(92)의 출력은 비교기(88-91)의 비-반전 입력에 연결된다. 비교기(88)의 출력은 게이트(43)의 제 2 입력과 게이트(68)의 제 2 입력에 연결된다. 게이트(43)의 출력은 트랜지스터(32)의 게이트에 연결되고, 게이트(68)의 출력은 트랜지스터(58)의 게이트에 연결된다. 비교기(89)의 출력은 게이트(44)의 제 2 입력과 게이트(69)의 제 2 입력에 연결된다. 게이트(44)의 출력은 트랜지스터(33)의 게이트에 연결되고, 게이트(59)의 출력은 트랜지스터(59)의 게이트에 연결된다. 비교기(90)의 출력은 게이트(45)의 제 2 입력과 게이트(70)의 제 2 입력에 연결된다. 게이트(45)의 출력은 트랜지스터(34)의 게이트에 연결되고, 게이트(70)의 출력은 트랜지스터(60)의 게이트에 연결된다. 비교기(91)의 출력은 게이트(46)의 제 2 입력과 게이트(71)의 제 2 입력에 연결된다. 게이트(46)의 출력은 트랜지스터(35)의 게이트에 연결되고, 게이트(71)의 출력은 트랜지스터(61)의 게이트에 연결된다. 저항기(106)의 제 2 단자는 노드(108)에, 그리고 저항기(107)의 제 1 단자에 연결된다. 저항기(107)의 제 2 단자는 리턴(22)에 연결된다. 저항기(95)의 제 1 단자는 단자(23)에, 그리고, 트랜지스터(53)의 드레인에 연결된다. 저항기(95)의 제 2 단자는 비교기(101)의 비-반전 입력에, 그리고 저항기(96)의 제 1 단자에 연결된다. 저항기(96)의 제 2 단자는 비교기(103)의 비-반전 입력과 저항기(98)의 제 1 단자에 연결된다. 저항기(98)의 제 2 단자는 비교기(104)의 비-반전 입력과, 저항기(99)의 제 1 단자에 연결되며, 저항기(99)의 제 2 단자는 리턴(22)에 연결된다. 비교기(104)의 반전 입력은 노드(108)에 연결되고, 비교기(104)의 출력은 게이트(50)의 제 2 입력과, 게이트(75)의 제 2 입력에 연결된다. 게이트(50)의 출력은 트랜지스터(39)의 게이트에 연결되고, 게이트(75)의 출력은 트랜지스터(65)의 게이트에 연결된다. 비교기(103)의 반전 입력은 노드(108)에 연결되고, 그 출력은 게이트(49)의 제 2 입력과 게이트(74)의 제 2 입력에 연결된다. 게이트(49)의 출력은 트랜지스터(38)의 게이트에 연결되고, 게이트(74)의 출력은 트랜지스터(64)의 게이트에 연결된다. 비교기(102)의 반전 입력은 노드(108)에 연결되고, 그 출력은 게이트(48)의 제 2 입력과, 게이트(74)의 제 2 입력에 연결된다. 게이트(48)의 출력은 트랜지스터(37)의 게이트에 연결되고, 게이트(73)의 출력은 트랜지스터(63)의 게이트에 연결된다. 비교기(101)의 반전 입력은 노드(108)에 연결되고, 그 출력은 게이트(47)의 제 2 입력과, 게이트(72)의 제 2 입력에 연결된다. 게이트(47)의 출력은 트랜지스터(36)의 게이트에 연결되고, 게이트(72)의 출력은 트랜지스터(62)의 게이트에 연결된다. 트랜지스터(57)의 소스는 단자(26)에, 트랜지스터(77)의 드레인에, 그리고, 각각의 트랜지스터(58-65)의 소스에 연결된다. 트랜지스터(57)의 드레인은 입력(21)과, 각 트랜지스터(58-65)의 드레인에 연결된다. 트랜지스터(77)의 소스는 리턴(22)에 연결된다. 인버터(54)의 출력은 트랜지스터(53)의 게이트에 연결된다. 인버터(67)의 출력은 트랜지스터(57)의 게이트에 연결된다.

도 2는 반도체 다이(116) 상에 형성되는 반도체 소자나 집적 회로(115)의 일실시예의 부분 확대 평면도에 해당한다. 다이(116) 상에 컨버터(20)가 형성된다. 다이(116)는 도 2에 도시되지 않은 다른 회로들을 물론 포함할 수 있다. 당 업자에게 잘 알려진 반도체 제작 기술들을 이용하여 컨버터(20) 및 소자 또는 집적 회로(115)가 다이(115) 상에 형성된다.

상술한 사항들을 살펴볼 때, 새로운 소자 및 방법이 공개된다는 점이 명확히 드러난다. 컨버터(20)의 충전 사이클 중 플라잉 커패시터(17)를 충전시키도록 충전 전류 Ic를 형성하기 위해, 여러 다양한 입력 전압에 따라 복수의 병렬 연결 트랜지스터(32-35)들을 서로 다르게 선택적으로 동작시키는 회로(80)를 구성하는 것이 그 한가지 신규한 특성이라고 할 것이다. 다양한 입력 전압 값을 이용함으로써 효율이 높아지고, 입력 전압과 출력 전압의 다양한 값들 간의 차이를 이용하여 효율이 추가적으로 개선될 수 있다. 비교기와 저항 디바이더를 이용하여 다양한 값들을 형성하고 제어 신호들을 형성함으로써, 실리콘 반도체 다이 상에 집적될 때 저렴한 비용으로 제조될 수 있는 간단한 구성을 도출할 수 있다.

본 발명에 대해 여러가지 대안 및 변경이 가능하다는 것은 당 업자에게 명확한 사실이다. 예를 들어, 제어 회로(80, 94)들이 저항 디바이더와 비교기 대신에, 다른 회로 구조를 이용하여 입력 및 출력 전압에 대해 다양한 값들을 형성할 수 있다. 본 발명에서 "연결"이란 표현은 직접적인 연결과 간접적인 연결을 모두 포함하는 의미로 간주되어야 한다.

청구범위에서 '제 1 트랜지스터 군'이란 표현은 트랜지스터들로 구성된 제 1 집합을 의미하며, 즉, '제 1 집합의 트랜지스터들', '제 1 군의 트랜지스터들'에 해당하는 표현으로 이해되어야 할 것이다.

10: 전하 펌프 컨버터 시스템 11: 배터리
14: 출력 커패시터 16: 부하
17: 플라잉 커패시터 20: 전하 펌프 컨버터

Claims

출력 커패시터에 연결되어 상기 출력 커패시터 상에 출력 전압을 형성하도록 구성되는 한 개의 출력 단자;
플라잉 커패시터(flying capacitor)에 연결되도록 구성되는 복수의 단자들;
입력 전압을 수신하여 상기 플라잉 커패시터를 충전하기 위한 충전 전류를 형성하도록 연결되는 복수의 제 1 트랜지스터들로서, 전하 펌프 컨버터의 충전 사이클 동안 상기 입력 전압의 값들에 따라 선택적으로 동작하도록 연결되는, 상기 복수의 제 1 트랜지스터들;
상기 입력 전압을 수신하여 상기 플라잉 커패시터를 충전하기 위한 상기 충전 전류를 형성하도록 연결되는 복수의 제 2 트랜지스터들로서, 상기 입력 전압과 상기 출력 전압의 값들 간의 차이에 따라 상기 충전 사이클 동안 선택적으로 동작하도록 연결되는, 상기 복수의 제 2 트랜지스터들;
상기 입력 전압을 수신하여 상기 플라잉 커패시터를 방전하기 위한 방전 전류를 형성하도록 연결되는 복수의 제 3 트랜지스터들로서, 상기 전하 펌프 컨버터의 방전 사이클 동안 상기 입력 전압의 값들에 따라 선택적으로 동작하도록 연결되는, 상기 복수의 제 3 트랜지스터들; 및
상기 입력 전압을 수신하여 상기 방전 전류를 형성하도록 연결되는 복수의 제 4 트랜지스터들로서, 상기 입력 전압과 상기 출력 전압의 값들 간의 상기 차이에 따라 상기 방전 사이클 동안 선택적으로 동작하도록 연결되는, 상기 복수의 제 4 트랜지스터들을 포함하는, 전하 펌프 컨버터.
제 1 항에 있어서,
상기 입력 전압을 수신하여 상기 입력 전압의 복수의 값들에 따라 복수의 제 1 제어 신호들을 형성하도록 구성되는 제 1 제어 회로를 추가로 포함하고, 상기 복수의 제 1 제어 신호들은 상기 입력 전압의 복수의 값들에 따라 상기 복수의 제 1 트랜지스터들을 선택적으로 인에이블(enable)하도록 상기 복수의 제 1 트랜지스터들에 연결되는, 전하 펌프 컨버터.
제 2 항에 있어서,
상기 제 1 제어 회로는 복수의 제 1 비교기들을 포함하고, 각각의 비교기는 복수의 제 1 센스 신호들의 센스 신호를 재생하도록 연결되며, 각각의 센스 신호는 상기 입력 전압의 서로 다른 값을 나타내고,
상기 복수의 제 1 비교기들의 각각의 비교기는 상기 센스 신호를 제 1 기준 신호와 비교하여 상기 복수의 제 1 제어 신호들의 제어 신호를 형성하는, 전하 펌프 컨버터.
제 3 항에 있어서,
상기 제 1 제어 회로는 복수의 제 1 로직 게이트들을 포함하고, 상기 복수의 제 1 로직 게이트들은 상기 복수의 제 1 제어 신호들을 수신하고, 상기 충전 사이클을 나타내는 제 1 클럭 신호를 수신하고, 상기 충전 사이클 동안 상기 입력 전압의 값들에 따라 상기 복수의 제 1 트랜지스터들을 인에이블하도록 연결되는, 전하 펌프 컨버터.
제 4 항에 있어서,
상기 복수의 제 1 제어 신호들은 상기 방전 사이클 동안 상기 입력 전압의 복수의 값들에 따라 상기 복수의 제 3 트랜지스터들을 선택적으로 인에이블하도록 상기 복수의 제 3 트랜지스터들에 연결되는, 전하 펌프 컨버터.
제 5 항에 있어서,
상기 제 1 제어 회로는 복수의 제 2 로직 게이트들을 포함하고, 상기 복수의 제 2 로직 게이트들은 상기 복수의 제 1 제어 신호들을 수신하고, 상기 방전 사이클을 나타내는 제 2 클럭 신호를 수신하고, 상기 방전 사이클 동안 상기 입력 전압의 값들에 따라 상기 복수의 제 3 트랜지스터들을 인에이블하도록 연결되는, 전하 펌프 컨버터.
제 2 항에 있어서,
상기 입력 전압 및 상기 출력 전압을 수신하고, 상기 입력 전압과 상기 출력 전압의 값들 간의 상기 차이에 따라 복수의 제 2 제어 신호들을 형성하도록 구성되는 제 2 제어 회로를 추가로 포함하고, 상기 복수의 제 2 제어 신호들은 상기 충전 사이클 동안 상기 입력 전압과 상기 출력 전압의 값들 간의 상기 차이에 따라 상기 복수의 제 2 트랜지스터들을 선택적으로 인에이블하도록 상기 복수의 제 2 트랜지스터들에 연결되는, 전하 펌프 컨버터.
제 2 항에 있어서,
상기 제 2 제어 회로는 복수의 비교기들을 포함하고, 상기 복수의 비교기들의 각각의 비교기는 상기 출력 전압의 서로 다른 값을 나타내는 센스 신호를 재생하도록 연결되며, 상기 복수의 비교기들의 각각의 비교기는 상기 입력 신호를 나타내는 기준 신호와 상기 센스 신호를 비교하여, 상기 복수의 제 2 제어 신호들의 제어 신호를 형성하는, 전하 펌프 컨버터.
제 8 항에 있어서,
상기 제 2 제어 회로는 복수의 제 1 로직 게이트들을 포함하고, 상기 복수의 제 1 로직 게이트들은 상기 복수의 제 2 제어 신호들을 수신하고, 상기 충전 사이클을 나타내는 제 1 클럭 신호를 수신하고, 상기 충전 사이클 동안 상기 입력 전압과 상기 출력 전압의 값들 간의 상기 차이에 따라 상기 복수의 제 2 트랜지스터들을 인에이블하도록 연결되는, 전하 펌프 컨버터.
제 9 항에 있어서,
상기 제 2 제어 회로는 복수의 제 2 로직 게이트들을 포함하고, 상기 복수의 제 2 로직 게이트들은 상기 복수의 제 2 제어 신호들을 수신하고, 상기 방전 사이클을 나타내는 제 2 클럭 신호를 수신하고, 상기 방전 사이클 동안 상기 입력 전압과 상기 출력 전압의 값들 간의 상기 차이에 따라 상기 복수의 제 4 트랜지스터들을 인에이블하도록 연결되는, 전하 펌프 컨버터.
출력 커패시터에 연결되어 상기 출력 커패시터 상에 출력 전압을 형성하도록 구성되는 한 개의 출력 단자;
플라잉 커패시터에 연결되도록 구성되는 복수의 단자들;
입력 전압을 수신하여 상기 플라잉 커패시터를 충전하기 위한 충전 전류를 형성하도록 연결되는 복수의 제 1 트랜지스터들로서, 전하 펌프 컨버터의 충전 사이클 동안 상기 입력 전압의 값들에 따라 선택적으로 동작하도록 연결되는, 상기 복수의 제 1 트랜지스터들;
상기 입력 전압을 수신하여 상기 플라잉 커패시터를 충전하기 위한 상기 충전 전류를 형성하도록 연결되는 복수의 제 2 트랜지스터들로서, 상기 입력 전압과 상기 출력 전압의 값들 간의 차이에 따라 상기 충전 사이클 동안 선택적으로 동작하도록 연결되는, 상기 복수의 제 2 트랜지스터들을 포함하는, 전하 펌프 컨버터.
제 11 항에 있어서,
상기 복수의 제 1 트랜지스터들은 상기 입력 전압의 값들에 따라 선택적으로 인에이블되도록 동작적으로 연결되고, 상기 입력 전압의 서로 다른 값에 따라 선택적으로 인에이블되도록 연결되는 상기 복수의 제 1 트랜지스터들의 각각의 트랜지스터를 포함하는, 전하 펌프 컨버터.
제 12 항에 있어서,
상기 복수의 제 1 트랜지스터들의 제 1 트랜지스터가 상기 입력 전압의 제 1 값에 따라 선택적으로 인에이블되도록 동작적으로 연결되고,
상기 복수의 제 1 트랜지스터들의 제 2 트랜지스터가 상기 입력 전압의 제 2 값에 따라 선택적으로 인에이블되도록 동작적으로 연결되고,
상기 복수의 제 1 트랜지스터들의 제 3 트랜지스터가 상기 입력 전압의 제 3 값에 따라 선택적으로 인에이블되도록 동작적으로 연결되고,
상기 복수의 제 1 트랜지스터들의 제 4 트랜지스터가 상기 입력 전압의 제 4 값에 따라 선택적으로 인에이블되도록 동작적으로 연결되고,
상기 제 1 값은 상기 제 2 값보다 크고, 상기 제 2 값은 상기 제 3 값보다 크고, 상기 제 3 값은 상기 제 4 값보다 큰, 전하 펌프 컨버터.
제 11 항에 있어서,
상기 입력 전압을 수신하여 상기 플라잉 커패시터를 방전하기 위한 방전 전류를 형성하도록 연결되는 복수의 제 3 트랜지스터들로서, 상기 전하 펌프 컨버터의 방전 사이클 동안 상기 입력 전압의 값들에 따라 선택적으로 동작하도록 연결되는, 상기 복수의 제 3 트랜지스터들; 및
상기 입력 전압을 수신하여 상기 방전 전류를 형성하도록 연결되는 복수의 제 4 트랜지스터들로서, 상기 입력 전압과 상기 출력 전압의 값들 간의 상기 차이에 따라 상기 방전 사이클 동안 선택적으로 동작하도록 연결되는, 상기 복수의 제 4 트랜지스터들을 추가로 포함하는, 전하 펌프 컨버터.
전하 펌프 컨버터를 형성하는 방법에 있어서:
출력 커패시터에 연결되어 상기 출력 커패시터 상에 출력 전압을 형성하도록 구성되는 한 개의 출력 단자를 제공하는 단계;
플라잉 커패시터에 연결되도록 구성되는 복수의 단자들을 제공하는 단계; 및
상기 전하 펌프 컨버터의 충전 사이클 동안 상기 플라잉 커패시터를 충전하기 위한 충전 전류를 형성하기 위해 입력 전압의 서로 다른 값들에 따라 복수의 제 1 병렬 연결 트랜지스터들의 서로 다른 트랜지스터들을 선택적으로 인에이블하도록 상기 제 1 회로를 구성하는 단계를 포함하는, 전하 펌프 컨버터 형성 방법.
제 15 항에 있어서,
상기 전하 펌프 컨버터의 방전 사이클 동안 상기 플라잉 커패시터로부터 상기 출력 커패시터를 충전하기 위한 방전 전류를 형성하기 위해 상기 입력 전압의 값들에 따라 복수의 제 2 병렬 연결 트랜지스터들의 서로 다른 트랜지스터들을 선택적으로 인에이블하도록 상기 제 1 회로를 구성하는 단계를 추가로 포함하는, 전하 펌프 컨버터 형성 방법.
제 15 항에 있어서,
상기 복수의 제 1 병렬 연결 트랜지스터들의 서로 다른 트랜지스터들을 선택적으로 인에이블하도록 상기 제 1 회로를 구성하는 단계는 상기 입력 전압의 서로 다른 값들을 나타내는 복수의 센스 신호들을 형성하고, 각각의 센스 신호를 기준 신호와 비교하여 복수의 제어 신호들을 형성하도록 상기 제 1 회로를 구성하는 단계를 포함하는, 전하 펌프 컨버터 형성 방법.
제 15 항에 있어서,
상기 충전 사이클 동안 상기 플라잉 커패시터를 충전하기 위한 상기 충전 전류를 형성하기 위해 상기 입력 전압과 상기 출력 전압의 서로 다른 값들 간의 차이에 따라 복수의 제 2 병렬 연결 트랜지스터들의 서로 다른 트랜지스터들을 선택적으로 인에이블하도록 제 2 회로를 구성하는 단계를 추가로 포함하는, 전하 펌프 컨버터 형성 방법.
제 18 항에 있어서,
상기 방전 사이클 동안 상기 플라잉 커패시터로부터 상기 출력 커패시터를 충전하기 위한 방전 전류를 형성하기 위해 상기 입력 전압과 상기 출력 전압의 서로 다른 값들 간의 상기 차이에 따라 복수의 제 3 병렬 연결 트랜지스터들의 서로 다른 트랜지스터들을 선택적으로 인에이블하도록 상기 제 2 회로를 구성하는 단계를 추가로 포함하는, 전하 펌프 컨버터 형성 방법.