KR20160067019A - 다수의 스위치 회로에 전압을 제공하기 위한 전하 펌프 회로 - Google Patents

다수의 스위치 회로에 전압을 제공하기 위한 전하 펌프 회로 Download PDF

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Abstract

전하 펌프 회로는 바이어스 회로에 전력을 공급하는 전하 펌프 전압을 생성한다. 바이어스 회로는 기준 전류를 생성하고, 기준 전류로부터 스위치 전류를 생성한다. 게이트-소스 전압은 스위치 전류로부터 생성되고, 스위치 회로의 스위칭 컴퍼넌트에 인가되어 두 개의 노드를 접속시킨다. 게이트-소스 전압은 바이어스 회로에서 생성될 수 있고, 스위치 회로에 제공될 수 있다. 게이트-소스 전압은 또한 스위치 회로에서도 생성될 수 있다.

Description

다수의 스위치 회로에 전압을 제공하기 위한 전하 펌프 회로{CHARGE PUMP CIRCUIT FOR PROVIDING VOLTAGES TO MULTIPLE SWITCH CIRCUITS}
관련 출원과의 상호 참조
본 출원은 2014년 12월 3일자로 출원된 미국 가출원 제62/086,967호의 이점을 주장하며, 이는 본 명세서에 전체적으로 참고로 포함된다.
본 발명은 대체로 전기 회로에 관한 것이고, 보다 구체적으로는, 전하 펌프 및 관련 회로에 관한 것이지만 배타적인 것은 아니다.
전하 펌프 회로는 직류(DC) 전압을 하나의 레벨로부터 다른 레벨로 변환한다. 전하 펌프 회로는 바이어스 또는 공급 전압을 제공하는 것을 비롯한 다양한 응용에 사용된다. 예를 들어, 전하 펌프 회로는 컴퓨터 인터페이스 포트, 예컨대 범용 직렬 버스(Universal Serial Bus, USB) 포트에 채용된 스위치 회로의 스위칭 컴포넌트를 위한 게이트-소스 전압을 생성하는 전기 회로에 채용될 수 있다. 본 발명의 실시예는 개선된 전하 펌프 회로, 및 전하 펌프 회로를 채용하여 다수의 스위치 회로를 위한 비교적 일정한 전압을 생성하는 회로류를 제공한다.
일 실시예에서, 전하 펌프 회로는 바이어스 회로에 전력을 공급하는 전하 펌프 전압을 생성한다. 바이어스 회로는 기준 전류를 생성하고, 기준 전류로부터 스위치 전류를 생성한다. 게이트-소스 전압은 스위치 전류로부터 생성되고, 스위치 회로의 스위칭 컴퍼넌트에 인가되어 두 개의 노드를 접속시킨다. 게이트-소스 전압은 바이어스 회로에서 생성될 수 있고, 스위치 회로에 제공될 수 있다. 게이트-소스 전압은 또한 스위치 회로에서도 생성될 수 있다.
본 발명의 이러한 특징 및 다른 특징은 첨부 도면 및 특허청구범위를 포함한 본 명세서 전체를 읽을 시에 당업자가 보면 쉽게 알 수 있을 것이다.
상이한 도면들에서 동일한 도면부호의 사용은 동일하거나 유사한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 복수의 컴퓨터 인터페이스 포트에 전압을 제공하기 위한 예시적인 전기 회로의 블록 다이어그램을 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 복수의 스위치 회로에 전압을 제공하기 위한 전기 회로의 블록 다이어그램을 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 복수의 스위치 회로에 전압을 제공하기 위한 전기 회로의 개략도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 복수의 스위치 회로에 전압을 제공하기 위한 전기 회로의 개략도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 변환기 회로(voltage translator circuit)의 개략도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전하 펌프 셀의 개략도를 도시한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전하 펌프 셀의 개략도를 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 다수의 전하 펌프 셀을 구비한 전하 펌프 회로의 개략도를 도시한다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전하 펌프 회로를 도시한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 9의 전하 펌프 회로의 시뮬레이션된 파형을 도시한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이어스 회로의 개략도를 도시한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른, 전하 펌프 회로를 사용하여 복수의 스위치 회로에 복수의 일정한 게이트-소스 전압을 제공하는 방법의 흐름도를 도시한다.
본 명세서에서는, 전기 회로("회로"), 컴포넌트, 및 방법의 예와 같은 수많은 구체적인 세부사항들이 제공되어, 본 발명의 실시예의 철저한 이해를 제공하게 한다. 그러나, 당업자는 본 발명이 구체적인 세부사항들 중 하나 이상이 없이도 실시될 수 있음을 인식할 것이다. 어떤 경우에는, 본 발명의 태양을 이해하기 어렵게 하는 것을 회피하기 위해, 주지되어 있는 세부사항이 도시되거나 기술되지 않는다.
도 1은 복수의 컴퓨터 인터페이스 포트(102)(즉, 102-1, 102-2, 102-3, …, 102-n)에 전압을 제공하기 위한 예시적인 전기 회로의 블록 다이어그램을 도시한다. 도 1의 예에서, 컴퓨터 인터페이스 포트(102-1)는 범용 직렬 버스(USB) 포트이고, 컴퓨터 인터페이스 포트(102-2)는 좌측 오디오 포트이고, 컴퓨터 인터페이스 포트(102-3)는 우측 오디오 포트이다. 도 1의 예에서, 각각의 컴퓨터 인터페이스 포트(102)는 자신의 분리된 전하 펌프 회로(101)로부터 일정한 게이트-소스 전압(이하, "전압 VGS")을 수신하는 스위치 회로(103)를 갖는다. 일정한 전압 VGS는 스위치 회로(103)의 스위칭 컴포넌트, 예컨대 금속 산화물 반도체(MOS) 트랜지스터의 게이트와 소스에 인가된다. 따라서, 세 개의 컴퓨터 인터페이스 포트(102)를 위해 세 개의 전하 펌프 회로(101)가 필요하다. 도 1의 회로는 예를 들어 마이크로 USB 스위치(Micro USB switch, MUS) 디바이스에 채용될 수 있다. 도 1의 회로에 있어서의 한 가지 문제는 그것이 여러 전하 펌프 회로(101)를 사용한다는 것이다. 다른 문제는, 스위치 회로(103)의 스위칭 컴포넌트의 게이트가 대응 전하 펌프 회로(101)에 직접적으로 접속되기 때문에, 전하 펌프 회로(101)로부터의 전하 펌프 클럭 잡음이 스위치 회로(103)에 커플링될 수 있다는 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 복수의 스위치 회로에 전압을 제공하기 위한 전기 회로의 블록 다이어그램을 도시한다. 도 2의 예에서, 전기 회로는 복수의 스위치 회로(123)를 위한 복수의 비교적 일정한(즉, 공학적 의미에서) 전압 VGS를 생성하도록 구성되어 있는 전하 펌프 회로(121)를 포함한다. 스위치 회로(123)는 컴퓨터 인터페이스 포트(122)(즉, 122-1, 122-2, 122-3, 122-4, …, 122-n)의 일부일 수 있다.
도 2의 예에서, 전하 펌프 회로(121)는 하나 이상의 바이어스 회로(124)를 위한 전하 펌프 전압 VCP를 생성한다. 바이어스 회로(124)는 유리하게도 전하 펌프 회로(121)에서 생성된 잡음이 스위치 회로(123)에 커플링되는 것을 방지하거나 최소화한다. 바이어스 회로(124)는 전하 펌프 회로(121)에 의해 생성된 전하 펌프 전압 VCP를 수신할 수 있으며, 스위치 회로(123)의 스위칭 컴포넌트를 위한 일정한 전압 VGS를 생성하기 위해 채용될 수 있는 스위치 전류를 생성할 수 있다. 보다 구체적으로, 바이어스 회로(124)의 전류 소스에 의해 생성된 전류 기준이 미러링(mirror)되어, 고정된 전압 강하를 발생시키는 임피던스 내로 유동하는 스위치 전류를 생성하게 할 수 있는데, 이는 스위치 회로(123)의 스위칭 컴포넌트의 전압 VGS로서 이용될 수 있다. 전류 소스가 비교적 양호한 전력 공급 제거비(power supply rejection ratio, PSRR)를 가질 때, 그것이 생성하는 기준 전류는 작은 변화가 있는 일정한 전류로 간주될 수 있다. 따라서, 결과로서 생성된 전압 VGS도 또한 일정하다. 도 2의 예에서, 바이어스 회로(124)에 비교적 가까이 있는 스위치 회로(123)가 비교적 일정한 전압 VGS를 수신할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 복수의 스위치 회로에 전압을 제공하기 위한 전기 회로의 개략도를 도시한다. 도 3은 바이어스 회로에 의해 생성된 스위치 전류를 이용하여 스위치 회로의 스위치 컴포넌트를 위한 일정한 전압 VGS가 스위치 회로에서 생성되는 예시적인 토폴로지(topology)를 도시한다. 도 3의 회로는 하나의 전하 펌프 회로 당 복수의 스위치 회로를 포함할 수 있지만, 예시의 명료성을 위해 단 하나의 스위치 회로만이 도시되어 있다.
도 3의 예에서, 바이어스 회로(124)는 전하 펌프 회로(121)에 의해 생성된 전하 펌프 전압 VCP에 의해 전력을 공급받는다. 바이어스 회로(124)는 고정된 기준 전류 IREF를 생성하는 전류 소스(152)를 포함한다. 트랜지스터(150, 151)에 의해 형성된 전류 미러는 기준 전류 IREF를 미러링하여 스위치 전류를 미러링된 전류 I1의 형태로 생성하는데, 이는 스위치 회로(123)에 의해 수신될 수 있거나 또는 복수의 스위치 회로(123)에 의해 공유될 수 있다. 미러링된 전류 I1은 하나 이상의 스위치 회로(123)에서 일정한 전압 VGS를 생성하기 위해 채용될 수 있다. 따라서, 단일의 전하 펌프 회로(121)가 복수의 스위치 회로(123)를 위한 일정한 전압 VGS를 생성하는 것을 허용한다. 이해할 수 있는 바와 같이, 시스템은 복수의 전하 펌프 회로(121)를 포함할 수 있는데, 복수의 전하 펌프 회로(121) 중 하나의 전하 펌프 회로(121)가 복수의 스위치 회로(123)에 일정한 전압 VGS를 제공한다.
도 3의 예에서, 임피던스 요소(153)는 임피던스 Z를 갖는다. 대체로, 임피던스 요소는 정규 다이오드, 제너(Zener) 다이오드, MOS 트랜지스터, 저항, 또는 고정된 기준 전류 IREF 또는 미러링된 전류 I1로부터 고정된 전압 강하를 발생시키기 위한 기타 다른 전기 컴포넌트일 수 있다.
도 3의 예에서, 스위치 회로(123)는 스위치 회로(123)를 인에이블링(enabling) 또는 디스에이블링(disabling)시키기 위한 인에이블 신호 EN_SW를 수신하는 게이트 제어 회로(160)를 포함한다. 스위치 회로(123)가 인에이블링될 때, 미러링된 전류 I1은 바이어스 회로(124)로부터 스위치 회로(123)에 의해 수신되어 저항(164) 상에서 그리고 임피던스 Z1을 갖는 임피던스 요소(163) 상에서 전압 강하를 발생시킨다. 도 3의 예에서, 저항(164) 및 임피던스 요소(163) 상에서의 전압 강하는 전하 펌프 전압 VCP1로 지칭되는데, 이는 스위치 회로(123) 상에, 더 구체적으로는 데이터 입력 노드(DIN)를 데이터 공통 노드(DCOM)에 접속시키는 트랜지스터(162)(예컨대, MOS 트랜지스터) 상에 일정한 전압 VGS을 제공한다. 도 3의 예에서, 트랜지스터(162)는 스위치 회로(123)의 스위칭 컴포넌트이며, 스위치 인에이블 신호 EN_SW에 기초하여 게이트 제어 회로(160)에 의해 온 상태 또는 오프 상태로 변환될 수 있다. 스위치 회로(123)를 인에이블링시키는 것은 트랜지스터(162)를 온 상태로 변환하여 데이터 입력 노드 DIN을 데이터 공통 노드 DCOM에 접속시키게 하고; 스위치 회로(123)를 디스에이블링시키는 것은 트랜지스터(162)를 오프 상태로 변환하여 데이터 입력 노드 DIN을 데이터 공통 노드 DCOM으로부터 접속해제시키게 한다.
도 3의 예에서, 다이오드 DI01은, 전압 VCP1이 전압 VCP보다 커질 때, 역방향 통전(conduction)을 차단한다. 도 3의 예에서, 스위치 회로(123)는 전압 변환기 회로(161)를 포함하는데, 이는 바이어스 전압으로서 전하 펌프 전압 VCP를 수신한다. 전압 변환기 회로(161)는 바이어스 회로(124)의 전류 소스(152)와 임피던스 요소(153)를 접속시킨 노드로부터 바이어스 접지 기준 VHGND를 수신할 수 있다. 하기에서 보다 명백히 알게 되는 바와 같이(도 5 참조), 전압 변환기 회로(161)는 하이 사이드 출력(high side output) 및 풀 스윙 출력(full swing output)을 가질 수 있다. 전압 변환기 회로(161)의 하이 사이드 출력은 도 3의 예에서 트랜지스터(165)를 구동시키기 위해 채용되는데, 이는 미러링된 전류 I1을 스위치 회로(123) 내로 수신시킨다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 복수의 스위치 회로에 전압을 제공하기 위한 전기 회로의 개략도를 도시한다. 도 4는 스위치 회로의 스위치 컴포넌트를 위한 일정한 전압 VGS가 바이어스 회로에서 생성되는 예시적인 토폴로지를 도시한다. 도 4의 회로는 하나의 전하 펌프 회로 당 복수의 스위치 회로를 포함할 수 있지만, 예시의 명료성을 위해 단 하나의 스위치 회로만이 도시되어 있다.
도 4의 예에서, 바이어스 회로(124A)는 바이어스 회로(124)의 특정 구현예이다. 도 4의 예에서, 바이어스 회로(124A)는 전하 펌프 회로(121)에 의해 생성된 전하 펌프 전압 VCP에 의해 전력을 공급받는다. 바이어스 회로(124)와 유사하게, 바이어스 회로(124A)도 또한 기준 전류 IREF를 생성하는 전류 소스(152), 및 트랜지스터(150, 151)에 의해 형성되는 전류 미러를 포함한다. 전류 미러는 기준 전류 IREF를 미러링하여 미러링된 전류 I1을 생성하는데, 이는 전압 VGS를 생성하기 위해 스위치 전류로서 채용된다.
도 4의 예에서, 바이어스 회로(124A)는 다이오드 D101, 임피던스 요소(163), 및 저항(164)을 추가로 포함한다. 미러링된 전류 I1은 임피던스 요소 Z1 상에서 그리고 저항(164) 상에서 전압 강하를 발생시켜 전하 펌프 전압 VCP1을 생성한다. 임피던스 요소 Z1과 저항(164)을 접속시킨 노드 상에서 바이어스 접지 기준 HGND1이 취해질 수 있다. 바이어스 접지 기준 HGND1은 동일한 데이터 공통 노드 DCOM을 공유하는 복수의 스위치 회로(123A)에 의해 공유될 수 있다. 전하 펌프 전압 VCP1은 트랜지스터(162)의 일정한 전압 VGS로서 이용될 수 있다. 즉, 앞에서와 같이, 단일의 전하 펌프 회로(121)가 복수의 스위치 회로(123A)에 일정한 전압 VGS를 제공할 수 있다.
도 4의 예에서, 스위치 회로(123A)는 스위치 회로(123)의 특정 구현예이다. 스위치 회로(123A)는 스위치 회로(123A)를 인에이블링 또는 디스에이블링시키기 위한 스위치 인에이블 신호 EN_SW를 수신하는 게이트 제어 회로(160)를 포함한다. 스위치 회로(123A)는 전압 변환기 회로(161)를 추가로 포함하는데, 이는 도 4의 예에서 바이어스 회로(124A)로부터 전하 펌프 전압 VCP1 및 바이어스 접지 기준 HGND1을 수신한다.
도 4의 예에서, 전압 변환기 회로(161)는 트랜지스터(162)의 온 상태 또는 오프 상태를 제어하는데, 이는 스위치 회로(123A)의 스위칭 컴포넌트이다. 도 4의 예에서, 전압 변환기 회로(161)는 전압 변환기 회로(161)의 풀 스윙 출력을 이용하여 트랜지스터(162)의 게이트를 제어하여 트랜지스터(162)를 온 상태 또는 오프 상태로 변환한다. 보다 구체적으로, 트랜지스터(162)의 소스는 데이터 공통 노드 DCOM에 접속되어 있는 저항(164)의 단부에 접속되고, 그 반면에 트랜지스터(162)의 게이트는 전압 변환기 회로(161)를 통해 전하 펌프 전압 VCP1에 접속된다. 따라서, 스위치(123A)가 인에이블링될 때, 전압 변환기 회로(161)를 통해 트랜지스터(162)의 게이트와 소스에 걸쳐서 전하 펌프 전압 VCP1을 접속시킴으로써 트랜지스터(162)가 온 상태로 변환된다. 스위치(123A)가 디스에이블링될 때, 전압 변환기 회로(161)는 트랜지스터(162)로부터 전하 펌프 전압 VCP1을 제거하여 트랜지스터(162)를 오프 상태로 변환한다.
도 3 및 도 4의 예에서, 전류 소스(152)는 기준 전류 IREF를 생성하는데, 이는 하나 이상의 미러링된 전류 I1을 생성하도록 미러링될 수 있다. 기준 전류 IREF 또는 각각의 미러링된 전류 I1은 임피던스 요소(163) 상에서 전압 강하를 발생시킬 수 있다. 전압 강하는 스위치 회로의 스위칭 컴포넌트로서 사용되고 있는 트랜지스터(162)의 게이트-소스 전압 VGS로서 이용될 수 있다. 전류 소스(152)는, 바람직하게는, 기준 전류 IREF 및 미러링된 전류 I1이 일정하여, 일정한 전압 강하가 전압 VGS로서 채용되게 하도록 하는 양호한 PSRR을 갖는다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 변환기 회로(161)의 개략도를 도시한다. 일 실시예에서, 전압 변환기 회로(161)는 저전압-고전압 트랜지스터이다. 전압 변환기 회로(161)는 전하 펌프 전압을 스위치 회로 내의 트랜지스터를 구동시키기에 충분한 레벨로 증가시킬 수 있다.
도 5의 예에서, 전압 변환기(161)는 전하 펌프 전압 VCP(도 3 참조) 또는 VCP1(도 4 참조)과 같은 전하 펌프 전압을 수신하기 위한 노드(201)를 포함한다. 전압 변환기 회로(161)는 바이어스 접지 기준 VHGND(도 3 참조) 또는 HGND1(도 4 참조)과 같은 바이어스 접지 기준을 수신하기 위한 노드(202)를 추가로 포함한다.
도 5의 예에서, 전압 변환기 회로(161)는 노드(205)에 하이 사이드 출력을, 그리고 노드(204)에 풀 스윙 출력을 생성한다. 하이 사이드 출력은 미러링된 전류가 각각의 스위치 회로 내에서 유동하여 각각의 스위치 회로에 일정한 전압 VGS를 발생시키는 실시예에 채용될 수 있다. 보다 구체적으로, 하이 사이드 출력은 스위치 회로(123) 내의 트랜지스터(165)를 구동시키기 위해 채용될 수 있다(도 3 참조). 전압 변환기 회로(161)의 풀 스윙 출력은 미러링된 전류가 바이어스 회로 내에서 유동되어 바이어스 회로에 전압 VGS를 발생시키고 나서 스위치 회로 내의 전압 VGS를 변환시키는 실시예에 채용될 수 있다. 보다 구체적으로, 전압 변환기 회로(161)의 풀 스윙 출력은 스위치 회로(123A) 내의 트랜지스터(162)를 구동시키기 위해 채용될 수 있다(예컨대, 도 4 참조).
도 5의 예에서, 전압 변환기 회로(161)는 인에이블 신호 EN을 수신하기 위한 노드(203)를 포함한다. 인에이블 신호 EN은 게이트 제어 회로(160)로부터 수신될 수 있다. 인에이블 신호 EN은 트랜지스터(213, 214)를 제어하여 전압 변환기 회로(161)를 인에이블링 또는 디스에이블링시킨다.
도 5의 예에서, 인에이블 신호 EN이 하이(HIGH)일 때, 고전압 NMOS 트랜지스터(214)는 온 상태이고, 고전압 NMOS 트랜지스터(213)는 오프 상태이며, 고전압 PMOS 트랜지스터(208)의 드레인은 NMOS 트랜지스터(214)에 의해 풀 다운(pull down)된다. 이는 PMOS 트랜지스터(208)의 소스가 또한 풀 다운되게 한다. MOSFET(209 내지 212)는 2-인버터 래치를 형성한다. PMOS 트랜지스터(208)의 소스를 풀 다운시키는 것은 또한 MOSFET(210, 212)의 드레인도 풀 다운시켜, 노드(205) 상에 전하 펌프 전압(VCP)을 제공하는 상태를 래치시킨다. 유사한 방식으로, 인에이블 신호 EN이 로우(LOW)일 때, 래치 상태는 노드(205) 상에 바이어스 기준 접지(VHGND)를 제공하는 것이다. 이는 노드(205)가 VHGND로부터 VCP로 스윙하게 한다. 풀 스윙 출력은 노드(204)가 VNEG로부터 VCP1로 스윙한다는 점을 제외하면 유사한 방식으로 동작한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전하 펌프 셀(250)의 개략도를 도시한다. 그의 명칭이 내포하는 바와 같이, 전하 펌프 셀(250)은 전하 펌프 회로를 위한 셀이다. 도 6의 예에서, 전하 펌프 셀(250)은 입력 노드 VL에서의 입력 전압을 출력 노드 VH에서의 전하 펌프 전압으로 전환한다. 대체로 말하면, 입력 노드 VL은 저전압을 수신하고, 출력 노드 VH는 보다 높은 전압을 출력한다. 복수의 전하 펌프 셀(250)은 직렬로 접속 - 하나의 전하 펌프 셀의 출력 노드가 다른 전하 펌프 셀의 입력 노드에 급전함 - 되어 전반적인 전하 펌프 전압을 증가시킬 수 있다. 전하 펌프 셀(250)은 전하 펌프 클럭 펄스를 수신하기 위한 노드 VP 및 VM을 포함할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전하 펌프 셀(250A)의 개략도를 도시한다. 전하 펌프 셀(250A)은 전하 펌프 셀(250)의 특정 구현예이다. 일부 구현예에서, 드레인-벌크 전압 Vdb는 트랜지스터(251 내지 254)와 같은 MOS 트랜지스터 내의 기생 NPN 디바이스를 온 상태로 변환할 수 있다. 전하 펌프(250A)에서는, 드레인-벌크 전압 Vdb를 감소시키기 위해 저항(255)이 추가된다. 전하 펌프(250, 250A)는 달리 동일한 것이고, 유사한 방식으로 동작한다.
도 7의 예에서, 전하 펌프 클럭 펄스 CK 및 CKB는 반전 신호인데, 다시 말해 CK가 하이일 때 CKB는 로우이고, CK가 로우일 때 CKB는 하이이다. CK가 하이일 때, CKB는 로우이고, 노드 VP는 하이이며, 노드 VM은 로우이고, NMOS 트랜지스터(254) 및 PMOS 트랜지스터(251)는 온 상태로 변환된다. 이는 커패시터(258)가 NMOS 트랜지스터(254)를 통해 충전되게 하고, 커패시터(259)가 PMOS 트랜지스터(251)를 통해 노드 VH로 방전하게 한다. 유사하게, CK가 로우이고 CKB가 하이인 다음 국면에서, 커패시터(259)는 충전되고, 커패시터(258)는 노드 VH로 방전한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전하 펌프 회로(151A)의 개략도를 도시한다. 전하 펌프 회로(151A)는 전하 펌프 회로(151)의 특정 구현예이다.
도 8의 예에서, 전하 펌프 회로(151A)는 직렬로 접속되어 있는 두 개의 전하 펌프 셀(250)(또는 250A)을 포함한다. 전하 펌프 회로(151A)는 노드(273)(및 다른 노드)에서 배터리 전압 VBAT를 수신하고, 배터리 전압 VBAT를 노드(270)에서의 전하 펌프 전압 VCP로 전환한다. 전하 펌프 회로(151A)는 전하 펌프 인에이블 신호 EN_CP를 수신하기 위한 노드(274)를 포함한다. 전하 펌프 인에이블 신호 EN_CP는 전하 펌프 회로(151A)를 인에이블링 또는 디스에이블링시키기 위한 입력 트랜지스터(275)를 제어한다. 전하 펌프 회로(151A)는 노드(271, 272)에서 각각 전하 펌프 클럭 펄스 CK_CP1 및 CKB_CP1을 수신한다. 도 8의 예에서, 노드(270)에서의 전하 펌프 전압 VCP는 3*VBAT(즉, 3 x 배터리 전압)와 동일하다. 즉, 최대 전하 펌프 전압 VCP는 3*VBAT이다. 이는 보다 작은 전하 펌프 전압을 허용하고, 안전한 동작 영역(safe operating area, SOA) 문제를 회피시킨다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전하 펌프 회로(151B)를 도시한다. 전하 펌프 회로(151B)는 전하 펌프 회로(151)의 특정 구현예이다.
도 9의 예에서, 전하 펌프 회로(151B)는 전하 펌프 회로(151A)(도 8 참조)를 제어하여 노드(270)(도 8에도 또한 도시되어 있음)에서의 전하 펌프 전압 VCP를 생성하게 하는데, 이는 배터리 전압 VBT와 제너 다이오드(276) 상의 제너 전압 강하(VZ)의 합과 동일하다. 도 9의 예에서, 히스테리시스 비교기(275)가 전하 펌프 전압 VCP와 노드(278)에서의 제너 전압 강하의 합을 노드(279)에서의 임계 기준 전압 VREF와 비교하여 전하 펌프 인에이블 신호 EN_CP를 생성하는데, 이는 노드(274)(도 8에도 또한 도시되어 있음)에 있는 전하 펌프 회로(151A)에 입력된다. 노드(278)에는 전류 싱크(current sink)(277)가 커플링된다.
도 9의 예에서, 노드(270)에서의 전하 펌프 전압 VCP는 VREF + VZ로 기술될 수 있는데, VZ는 제너 다이오드(276)에서의 제너 전압 강하이다. 예를 들어, 두 개의 임계치 VTP 및 VTN에 의한 비교기(275)의 히스테리시스를 상정하면, 전하 펌프 전압 VCP는 범위 VZ + VREF(+VTP 또는 -VTN임) 내에 있다. VREF가 VBAT로 설정될 때, VREF + VZ는 VBAT + VZ이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전하 펌프 회로(151B)의 시뮬레이션된 파형을 도시한다. 도 10은, 위에서 아래로, 노드(270)에서의 전하 펌프 전압(VCP), 전하 펌프 클럭(OSC), 및 전하 펌프 인에이블 신호(EN_CP)를 도시한다.
전하 펌프 회로(151A)가 디스에이블링될 때, 전하 펌프 인에이블 신호 EN_CP는 전류 싱크(277)에 의해 인출된 싱크 전류 때문에 고정된 슬루 레이트(slew rate)만큼 강하한다. 전하 펌프 인에이블 신호 EN_CP가 (임계 기준 전압 VREF에 비해) 낮은 임계 전압 VTH에 도달할 때, 전하 펌프 회로(151A)는 다시 인에이블링되고, 전하 펌프 인에이블 신호 EN_CP는 충전한다. 이와 같이, 전하 펌프 전압 VCP가 너무 낮을 때, 전하 펌프 회로(151A)는 인에이블링된다. 전하 펌프 인에이블 신호 EN_CP가 높은 임계 전압 VTH에 도달할 때, 전하 펌프 회로(151A)는 다시 디스에이블링된다. 이해할 수 있는 바와 같이, 리플(ripple)은 중요한 고려사항이 아닌데, 그 이유는 전하 펌프 인에이블 신호 EN_CP의 최저점만이 충분히 높아야 하기 때문이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이어스 회로(124B)의 개략도를 도시한다. 바이어스 회로(124B)는 바이어스 회로(124)의 특정 구현예이다.
도 11의 예에서, 바이어스 회로(124B)는 노드(302)에서 배터리 전압 VBAT와 제너 전압의 합(VBAT+VZ)과 동일한 전하 펌프 전압 VCP를 수신한다. 일 실시예에서, 노드(302)에서의 전하 펌프 전압 VCP는 전하 펌프 회로(151B)(도 9 참조)에 의해 제공된다.
도 11의 예에서, 바이어스 회로(124B)는 전류 기준 IREF를 생성하는 전류 소스(152)를 포함한다. 트랜지스터(150, 151, 301)는 전류 기준 IREF를 미러링하여 미러링된 전류 I1 및 I2를 생성하는 전류 미러를 형성한다. 앞에서와 같이, 미러링된 전류는 도 11의 예에서의 제너 다이오드 ZD1 및 ZD2인 임피던스 요소 상에서 전압 강하를 발생시켜 전하 펌프 전압 SW VCP1 및 SW VCP2를 생성하게 한다. 데이터 노드 DP 또는 데이터 노드 DM 상에서의 전압이 증가할 때, 대응 전하 펌프 전압 SW VCP(즉, VCP1 또는 VCP2)도 또한 증가한다. 다이오드(다이오드 D1 또는 D2)는, 전하 펌프 전압 SW VCP가 VREF + VZ보다 커질 때, 전하 펌프 전압 SW VCP가 다시 전하 펌프 회로로 충전하는 것을 차단한다. VREF + VZ는 특정 값으로 제어될 수 있다는 것을 주목하라.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른, 전하 펌프 회로를 사용하여 복수의 스위치 회로에 복수의 일정한 게이트-소스 전압을 제공하는 방법의 흐름도를 도시한다. 도 12의 방법은 전술된 회로 및 컴포넌트를 참조하여 설명된다. 이해할 수 있는 바와 같이, 도 12의 방법은 또한 다른 회로 및 컴포넌트에 의해서도 수행될 수 있다.
도 12의 예에서, 전하 펌프 회로는 전하 펌프 전압을 생성한다(단계 401). 전하 펌프 회로에 커플링되어 있는 바이어스 회로가 전하 펌프 전압을 수신하여 복수의 스위치 전류를 생성한다. 보다 구체적으로, 바이어스 회로는 기준 전류를 생성할 수 있고(단계 402), 기준 전류로부터 복수의 스위치 전류를 생성할 수 있다(단계 403). 예를 들어, 바이어스 회로는 기준 전류를 생성하는 전류 소스, 및 기준 전류를 미러링하여 복수의 스위치 전류를 생성하는 전류 미러를 포함할 수 있다. 일정한 게이트-소스 전압은 복수의 스위치 전류로부터 생성될 수 있다(단계 404). 게이트-소스 전압은 바이어스 회로에서 또는 복수의 스위치 회로에서 생성될 수 있다. 예를 들어, 바이어스 회로는 스위치 전류를 수신하여 일정한 게이트-소스 전압을 발생시키는 임피던스 요소를 포함할 수 있다. 다른 예로서, 스위치 회로는 스위치 전류를 수신하여 일정한 게이트-소스 전압을 발생시키는 임피던스 요소를 포함할 수 있다.
도 12의 예에서, 게이트-소스 전압은 제1 노드를 제2 노드에 접속시키는 스위치 회로의 트랜지스터에 인가된다(단계 405). 제1 노드는 데이터 공통 노드일 수 있고, 제2 노드는 데이터 입력 노드일 수 있다. 예를 들어, MOS 트랜지스터를 온 상태로 스위칭하게 하도록 그리고 데이터 입력 노드를 USB 포트와 같은 컴퓨터 인터페이스 포트의 데이터 공통 노드에 접속시키게 하도록 하기 위해, 게이트-소스 전압이 MOS 트랜지스터의 게이트와 소스에 걸쳐서 인가될 수 있다.
전하 펌프 회로를 사용하여 복수의 게이트-소스 전압을 생성하기 위한 방법 및 회로가 개시되어 있다. 본 발명의 특정 실시예가 제공되어 있지만, 이러한 실시예는 예시 목적을 위한 것이고 제한하는 것이 아니라는 것을 이해할 수 있을 것이다. 본 명세서를 읽은 당업자에게는 많은 추가적인 실시예가 자명할 것이다.

Claims (20)

  1. 전기 회로로서,
    전하 펌프 전압을 생성하도록 구성된 전하 펌프 회로;
    상기 전하 펌프 전압을 수신하여 기준 전류를 생성하도록 구성된 바이어스 회로; 및
    각각의 스위치 회로가 상기 기준 전류로부터 생성된 스위치 전류를 수신하도록, 상기 스위치 전류로부터 게이트-소스 전압을 생성하도록, 그리고 상기 게이트-소스 전압을 제1 트랜지스터에 인가하여 컴퓨터 인터페이스 포트의 출력 노드에 입력 노드를 접속시키도록 구성된 복수의 스위치 회로를 포함하는, 전기 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 바이어스 회로는:
    상기 기준 전류를 생성하도록 구성된 전류 소스; 및
    상기 기준 전류를 미러링하여 상기 스위치 전류를 생성하도록 구성된 전류 미러를 추가로 포함하는, 전기 회로.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전하 펌프 회로는:
    상기 전하 펌프 전압을 생성하는 복수의 전하 펌프 셀을 포함하는, 전기 회로.
  4. 제1항에 있어서, 상기 복수의 스위치 회로 중의 각각의 스위치 회로는:
    상기 스위치 전류를 수신하여 상기 게이트-소스 전압을 생성하도록 구성된 임피던스 요소를 포함하는, 전기 회로.
  5. 제4항에 있어서, 상기 임피던스 요소는 다이오드를 포함하는, 전기 회로.
  6. 제4항에 있어서, 상기 복수의 스위치 회로 중의 각각의 스위치 회로는 상기 임피던스 요소와 직렬을 이루는 저항을 추가로 포함하고, 상기 게이트-소스 전압은 상기 임피던스 요소 및 상기 저항 상에서의 전압 강하를 포함하는, 전기 회로.
  7. 제1항에 있어서, 상기 복수의 스위치 회로 중의 각각의 스위치 회로는:
    상기 스위치 전류를 수신하는 제2 트랜지스터; 및
    상기 전하 펌프 전압을 수신하도록, 그리고 상기 전하 펌프 전압을 상기 제2 트랜지스터를 구동시키는 제어 전압으로 변환시키도록 구성된 전압 변환기 회로를 포함하는, 전기 회로.
  8. 제7항에 있어서, 상기 복수의 스위치 회로 중의 각각의 스위치 회로는:
    상기 제2 트랜지스터와 직렬을 이루어 상기 스위치 전류를 수신하고 그리고 상기 게이트-소스 전압을 발생시키는 임피던스 요소를 추가로 포함하는, 전기 회로.
  9. 복수의 스위치 회로에 전압을 제공하는 방법으로서,
    전하 펌프 전압을 생성하는 단계;
    전류 기준을 생성하는 단계;
    상기 전류 기준을 미러링하여 미러링된 전류를 생성하는 단계;
    상기 미러링된 전류로부터 게이트-소스 전압을 생성하는 단계; 및
    복수의 스위치 회로 중의 하나의 스위치 회로의 트랜지스터에 상기 게이트-소스 전압을 인가하여 제1 노드를 제2 노드에 접속시키는 단계를 포함하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 게이트-소스 전압을 생성하는 단계는:
    상기 스위치 회로에서, 상기 미러링된 전류를 수신하여 상기 스위치 회로의 임피던스 요소에서 상기 게이트-소스 전압을 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 게이트-소스 전압은 전하 펌프 회로로부터 상기 전하 펌프 전압을 수신하도록 커플링된 바이어스 회로에서 생성되는, 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 게이트-소스 전압은 상기 스위치 회로에서 생성되는, 방법.
  13. 전기 회로로서,
    전하 펌프 전압을 생성하는 전하 펌프 회로;
    상기 전하 펌프 전압을 수신하고, 기준 전류를 생성하며, 상기 기준 전류로부터 복수의 스위치 전류를 생성하는 바이어스 회로;
    상기 복수의 스위치 전류 중의 제1 스위치 전류로부터 생성된 제1 게이트-소스 전압을 수신하는 게이트와 소스를 구비한, 제1 스위치 회로의 제1 트랜지스터; 및
    상기 복수의 스위치 전류 중의 제2 스위치 전류로부터 생성된 제2 게이트-소스 전압을 수신하는 게이트와 소스를 구비한, 제2 스위치 회로의 제2 트랜지스터를 포함하는, 전기 회로.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 스위치 회로는:
    상기 제1 스위치 전류를 수신하여 상기 제1 게이트-소스 전압을 발생시키는 제1 임피던스 요소를 포함하는, 전기 회로.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제2 스위치 회로는:
    상기 제2 스위치 전류를 수신하여 상기 제2 게이트-소스 전압을 발생시키는 제2 임피던스 요소를 포함하는, 전기 회로.
  16. 제13항에 있어서, 상기 바이어스 회로는 상기 제1 스위치 전류로부터 상기 제1 게이트-소스 전압을 생성하고, 상기 제2 스위치 전류로부터 상기 제2 게이트-소스 전압을 생성하는, 전기 회로.
  17. 제13항에 있어서, 상기 바이어스 회로는 상기 기준 전류를 미러링하여 상기 복수의 스위치 전류를 생성하는 전류 미러를 포함하는, 전기 회로.
  18. 제13항에 있어서, 상기 제1 스위치 회로 및 상기 제2 스위치 회로는 컴퓨터 인터페이스 포트의 스위치 회로인, 전기 회로.
  19. 제18항에 있어서, 상기 컴퓨터 인터페이스 포트는 범용 직렬 버스(Universal Serial Bus, USB) 포트를 포함하는, 전기 회로.
  20. 제13항에 있어서, 상기 전하 펌프 회로는 복수의 직렬-접속 전하 펌프 셀을 포함하는, 전기 회로.
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