TW200404303A - Modular charge pump for generating supply voltage and the supply voltage generation apparatus using the same - Google Patents

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TW200404303A
TW200404303A TW092109459A TW92109459A TW200404303A TW 200404303 A TW200404303 A TW 200404303A TW 092109459 A TW092109459 A TW 092109459A TW 92109459 A TW92109459 A TW 92109459A TW 200404303 A TW200404303 A TW 200404303A
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stages
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Lorenzo Bedarida
Stefano Sivero
Davide Manfre
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Atmel Corp
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Description

200404303 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於積體電路設計之領域，尤指電荷泵電路之 領域。 【先前技術】 記憶體電路常需要內部產生程式設計，擦除或讀取個別 記憶體單元所需要之加強電壓。在先前技藝，可使用電荷 泵電路加強一外部電壓源所供給之電壓，因而可使用加強 之電壓在個別記憶體單元供程式設計，擦除或讀取操作。 依電壓及電流需求而定，就並聯及串聯而言，需要不同之 泵架構。在有些內部操作模式，在一藉一電荷泵所加強之 節點，可能需要複數之電壓値。 圖1示一用以自一第一固定電壓輸入Vdd 14產生一供給 電壓Vout 12之代表性電荷泵10之簡單示意圖。將電容器 CP1 16及CP2 18交替保持在電荷泵時脈信號CK 20及其 由一外部時脈信號CLK 24所提供，確定電荷轉移速率之 倒數/CK 22。一控制信號ΕΝΑ 26控制泵10之開-關切換。 如圖2中所示，一旦Vo ut電壓12達到希望之値Vref 42， 一調節器（未示）便中止時脈信號CLK 24及/或ΕΝΑ信號 2 6。由於電流消耗Vout減少，一旦Vout達到一低於Vref 42 之固定値44，調節器（未示）便再次啓動（圖1)電荷泵10。 如圖1中所示，藉由從二級（D1 28及D2 3 0)增加二極管/ 級之數量，可達成電壓値之多重性。 自內部調節之電壓V p u m ρ之電流I p u m p之要求，依記憶 6 312/發明說明書(補件)/92-07/92109459 200404303 體之操作狀態而有所變化，在該技藝中係爲熟知者。如圖 3中所示，藉由控制信號ΕΝΑ 1 72及ENA2 74適當啓動2 電荷泵66及68，在vdd 70與Outp 64之間並行工作，提 供相同之Vpump電壓76，及提供所要求之ipump (未示）， 可維持在輸出泵節點Outp 64之電流消耗。 然而，在一單一輸出節點Outp提供複數之電壓値，有二 主要問題必須述及：（1 )如何增加I p u m p /1 s u p p 1 y比，藉以 獲得良好效率，其中Isupply爲自Vdd電壓供給之電流消 耗；及（2 )如何減低V r / V p u m ρ比，其中V r爲脈動振幅。 在一電荷泵之Outp節點包括若干串聯級超過獲得所需 高Vpump電壓所需要之最低數N，必須獲得低Vpump値 時，便加重此等問題。實在說，在此實施例，供給電流 I s u ρ ρ 1 y之相當大部份用以使泵之諸”無用”級之電容器充 電/放電，因而即使在Outp節點所要求之Ipump爲低，也 觀察到自 Vdd之巨大電流消耗。例如，先前已調諧在高 Vpump値之泵，現在調諧爲提供較低之Vpump値。如果情 形爲如此，在對應於高Vpump値之高電位値所充電之泵， 其諸相同節點必須產生較低之Vpump値，而不再充電至對 應於所希望較低Vpump値之適當電位値。這導致一種亂真 抽吸，及在Outp節點導致一種相對高脈動電壓Vi:，直到 達到穩定狀態。 【發明內容】 吾人曾如圖3中有不同之泵並行工作，但各提供一不同 電壓並適當啓動，而藉以解決上述問題。吾人曾提供一種 7 312/發明說明書(補件)/92-07/92109459 200404303 以可選擇並聯泵，各產生一不同電壓Vpump，並 一希望之電流Ipump，但不顯著增加此撓性電荷 佔據之積體電路之面積，所作成之模組式電荷泵 本發明提供一種電荷泵架構，特色爲電荷泵之 式配置。諸電荷泵配置如複數之電荷泵級，連接 一供給電壓之輸入節點與一傳送一輸出電壓之輸 之複數之路徑，諸泵級各有一起動線接收一起動 啓動信號。諸起動線由一邏輯電路所饋給，該邏 有一種同時產生啓動信號對應於一所希望輸出電 元件之配置。”同時產生”一詞包括一脈衝之所 型，由於諸相位變型負責使各泵級在適當順序定 許若干同時選擇性起動之泵級及其配置產生所希 電壓。 本發明之一方面係針對一種裝置，包含第一複 連接塊之電荷泵級，包括一第一塊之電荷泵級， 之電荷泵級，及至少一在其間之中間塊之電荷泵 在本發明之一種實施例，每一並聯連接塊之電 包括一組第二複數之串聯串接之電荷泵級；及一 輸出節點之輸出級。 在本發明之一種實施例，每一電荷泵級另包含 開關；（b)—第二開關；（c)一與第一開關及第二 通之加強電容器；及（d)—有一輸出與加強電容器 節點電連通之反相器。在此實施例，有一輸入之 收一啓動時脈信號至加強電容器，並且第一及第 3Π/發明說明書(補件)/92-07/92109459 且各提供 泵結構所 結構。 一種模組 在一接收 出節點間 該泵級之 輯電路具 壓之邏輯 有相位變 時。這允 望之輸出 數之並聯 一最後塊 級。 荷泵級， 連接至一 (a)—第一 開關電連 及一抽吸 反相器接 二開關由 8 200404303 對應於啓動時脈信號之時脈信號予以操作。 在本發明之另一實施例，每一電荷泵級另包含一正電荷 泵。在本發明之一種替代性實施例，每一電荷泵級另包含 一負電荷栗。 在本發明之另一實施例，有一整數第一複數之p塊，在 每一塊有一整數N之電荷泵級。在此實施例，電荷泵級之 總數T等於NP及輸出級之數等於P。 本發明之另一方面係針對一種裝置，用以在一包含一整 數複數之Μ單一（N，P)電荷泵之積體電路內在內部產生 一供給電壓。 在本發明之又一實施例，每一單一（Ν，Ρ)電荷泵包括一 整數Ρ之並聯連接塊之電荷泵級，包含一第一塊之電荷泵 級，一最後塊之電荷泵級，及至少一在其間之中間塊之電 荷泵級。 在另一寳施例，每一並聯連接塊之電荷泵級包括一組整 數Ν之串聯串接之電荷泵級；及一連接至一輸出節點之輸 出級。在此實施例，電荷泵級之總數之整數Τ等於ΡΜΝ ; 及輸出級之整數〇等於ΡΜ。 此外，本發明之再一方面係針對一種裝置，用以在一包 含一整數複數之Μ單一電荷泵之積體電路內在內部產生 一供給電壓，其中一第一單一電荷泵包含一單一（ni，Pl) 電荷泵，其中至少一在其間之中間單一電荷泵包含一單一 (〜，Pi)電荷泵，及其中一最後單一電荷泵包含一單一（ηΜ， Pm)電荷栗。 9 312/發明說明書(補件)/92-07/92109459 200404303 在本發明之另一實施例，每一單一（ni，Pi)電荷泵包括一 Pi整數之並聯連接塊之電荷泵級，包含一第一塊之電荷泵 級，一最後塊之電荷泵級，及至少一在其間之中間塊之電 荷泵級。 在另一實施例，每一並聯連接塊之電荷泵級包括一組整 數h數之串聯串接之電荷泵級；及一連接至一輸出節點之 輸出級。在此實施例，輸出級之整數〇等於Σ ; 及電荷泵級之總數之整數T等於Σ Pi)，其中i爲 一小於或等於Μ之整數。 在又一實施例，在每一單一（ni，pi)電荷泵，ni爲大於 或等於Pi。在一種替代性實施例，Pi爲大於或等於ni。在 此處，h爲小於或等於N ;及Pi爲小於或等於P，其中一 整數P爲並聯連接塊之電荷泵級之總數，及一整數N爲串 聯串接之電荷泵級之總數。在一種實施例，一整數S組之 控制信號用以控制每一電荷泵級，並且至少一組控制信號 用以控制該電荷泵級。 在本發明之一種實施例中，包含複數之Μ單一電荷泵之 本發明之裝置，包括一整數複數之單一電荷泵之Qi不同組 態。在又一實施例，供每一組態，將每一輸出級連接至輸 出節點，中止一整數複數之C i電荷泵級。使用複數之控制 信號，在複數之Q i不同組態當中自適應地調諧該裝置，俾 使在輸出節點之供給電壓及供給電流之產生最佳，及使在 輸出節點之脈動電壓最低。 本發明之一另外方面係針對一種裝置，用以在一包含一 10 312/發明說明書(補件)/92-07/92109459 200404303 石水 荷 電 - 單電之 Μ給數 之供複 數一數 複生整 數產供 整部一 壓 助 輔1 及 爲 態 組 泵 助 輔 該 內作 在用 內壓 路電 電助 體輔 積一 之生 泵產
電 之 考 參 之 號 信 制 控 S N之 數數 整複 一 數 使整 ， 用 中吏 例使 施中 實例 一 施 另實 在一 在
N
U 已! 每 啓將 已關 之開 少 最 級 出 輸 33 出 輸 3H3 石水 荷 電 制 控 以 用 JJaL· 信 制 控1 少 至 中 其 點 節 出 輸 至 接 連。 級級 在又一實施例中，包含複數之Μ單一電荷泵之本發明之 裝置，包括一整數複數之單一電荷泵之Q!不同組態。在一 實施例中，供每一組態，將每一輸出級連接至輸出節點， 並中止一整數複數之C 1電荷泵級。使用複數之控制信號， 在複數之Q ^不同組態當中自適應地調諧該裝置，俾使在輸 出節點之供給電壓及供給電流之產生最佳，及使在輸出節 點之脈動電壓最低。 【實施方式】 請參照圖4，一種裝置在一包含一整數”ρ”之並聯連接塊 之電荷泵級，包括一第一塊之電荷泵級84，一最後塊之電 荷泵級8 6，及至少一在其間之中間塊之電荷泵級（未示）， 作爲一陣列之電荷泵級之積體電路內，在內部產生一供給 電壓Vpump 82。在本發明之一種實施例，每一並聯連接塊 之電荷泵級（84，86)包括一組第二複數”η”之串聯串接之電 荷泵級（88，90，...92);及一連接至一輸出節點 Outp 96之輸出級94。 在圖5之實施例，更詳示圖4之裝置80之電荷泵級（88, 312/發明說明書(補件)/92-07/92109459 11 200404303 90或92)。更明確而言，圖4之裝置80之電荷泵級（88， 90或92)另包含一第一開關1〇2, 一第二開關1〇4，一與第 一開關及第二開關電連通之加強電容器106;及一有一輸 出1 1 〇與該加強電容器及一抽吸節點11 2電連通之反相器 1 0 8。反相器1 〇 8有一輸入1 1 3接收一啓動時脈信號i i 4 至該加強電容器。第一及第二開關由時脈信號CK116及 由對應於啓動時脈信號CK 114之反相時脈信號/CK 118所 操作。 串聯及並聯之電荷栗級之數，可依Vpump及Ipump値而 有所不同，而在提供最大Vpump或Ipump所需要而佔據之 晶片面積無顯著增加。本實施例指一種提供Vpump高於 Vdd之泵（正泵），但其可容易擴充至一種提供負Vpiimp之 泵（負泵）。 仍請參照圖4，數”p”之電荷泵並行工作，各以串聯之”η” 級（STAGE)及一輸出級94 (OUT STAGE)構成。此種電荷泵 陣列將稱爲一（nxp)泵。η將指爲”串聯級之數，，，及P指爲” 並聯級之數，，。藉由增加η，供lpump = 0之最大輸出電壓 Vpump 82將會依下式增力口：
Vpump » max = (n+1 )χVdd (方程式 1) 其中曾考慮一種具有增益/級=Vdd之理想泵，亦即一種無 損耗之泵。 在一時脈週期期間，P泵之一提供一平均電流Lav °如 果諸P泵同時工作，總平均電流Ipump爲如下：
Ipump = pxl一av (方程式 2) 12 312/發明說明書(補件)/92-07/92109459 200404303 假設希望調節一 Vpump電壓<Vpump，max。η及p —經 固定，依泵之輸出同等電阻Rs而定，其復依時脈週期Tck， 數η，每一 η級之抽吸電容CP(圖5之106)而定’ VPumP 愈大，Ipump愈低，如供理想泵之下式所示：
Rs = (nxTck)/CP (方程式 3) 自Vdd之電流消耗爲：
Isupply = (nxpxCPARxVdd)/Tck + Ipumpx(n+l) + Iosc (方程式4) 其中CPAR爲在抽吸節點之寄生電容（圖5之120)。 lose 爲由於產生抽吸及控制信號之電路所致之電流消耗，並且 其將不予計入。自方程式4可看出，即使自〇utp節點96 不要求電流Ipump，自Vdd 98之消耗Isupply係由於每時 脈週期之C PAR電容（圖5之120)之充電/放電。根據（方程 式4)， I s u p p 1 y與η及p成比例。再者，即使在一種理想 泵，其中CPAR = 0，如果Ipump爲固定，則應使η最佳化 至保證產生所希望Vpump之最小値。 在本發明之一實施例中，電荷泵級可爲一正電荷泵。在 本發明之另一實施例中，電荷泵級可爲一負電荷泵。 目的爲使η及p最佳化，以便Vpump對應於最大Vpump 之Ipump —經藉操作狀況固定，具有泵之高效率及/或低脈 動Vr。 如以上所述，在若干內部操作模式，在一藉一電荷栗所 加強之節點可能需要複數之電壓値。在此狀況，n及p應 該就每對（Vpump-Ipump)値改變。爲保留面積佔據，可使 13 312/發明說明書(補件)/92-07/92109459 200404303 用一單一（nxp)電荷泵，適當改變n及p。 仍請參照圖4，假設要在〇 u t p節點9 6調節m V p u m p値 82。首先’應確定就m VpUrnp値所最佳化之m對（η，ρ)_1， (η，ρ) —2，···（!！，p)_m。關於級之數η及ρ，可能有二實施 例（輸出級未予計入）： a ·在所有” m ”組態η — ρ，或p 2 η。 如果情形爲如此，總數η在m對當中將爲最大η，及總 數Ρ在m對當中將爲最大ρ。 b·在有些”m〆’組態n - p，其中在其他”mk”組態p $ n ; 其中所有”mi”組態及所有”mk”組態之組合包括所有可能 之” m”組態。 如果情形爲如此，本發明之電荷泵架構應該也包括一較 複雜之控制電路，包括複數之開關，其將會將若干並聯級 (如圖4之84或86)”變換”爲一串聯級（如圖4之88至92 級），及相反情形。在情形（b)實施例，作用級之總數應該 包括NS級，其中NS爲m對當中之最大（nxp)乘積。 一經確定級之總數，輸出級可能有二不同之另外實施 例。 c · 一第一實施例，其中不使輸出級之數最少。由於一遠 爲較小之CP電容，一輸出級佔據少於一抽吸級之面積。 在實施例（c)，所需要之開關數少於在實施例（b)所需要之 開關數，但控制信號之數較之在實施例（b)所需要控制信號 之數增加。 仍請參照圖4，爲實施上述之實施例（c)，必要：（1)將適 14 312/發明說明書(補件)/92-07/92109459 200404303 當連接至”m”級之電荷泵80之”m”組輸出級（94，...87)置於 插入位置，因而可相對於Vpump 82獲得泵之”m”不同組 態，而同時連接適當之輸出級及中止不使用之諸級；以及 (ii)產生（ml+m2)組之控制信號，ml供m組之電荷泵級， 及m 2供m組之輸出級，在實施例（a)，m 1 = m 2 = m。 d.在另一實施例中，使輸出級之數最少。在此情形，需 要複數之開關，以在泵之希望點適當連接諸輸出級。此等 開關之控制包括使用一輔助電壓（在圖4中未示）大於將行 予以調節之最高 Vpump 82。爲實施此實施例，必要：（I) 使用pmax輸出級，其中pmax爲在適當連接至諸電荷栗級 之m對當中之最大p ; (ii)產生（ml+m3)組之控制信號， m 1供m組之電荷泵級，及m3供m組之輸出級（在情形 (a)m3 = l，並且一般爲 m3<m2)。 在本發明之另一實施例中，圖6A示一電荷泵架構140, 其中n=l，2，3及p = 2;亦即ngp。在此實施例，基本設 計140包括3抽吸級及3輸出級，在泵140之2分支之每 一分支。在本發明之另一實施例中，在P^n時適用相同之 電荷泵架構（未示）。在二實施例中，n^P，及P^n，假設 爲不使輸出級之數最少。如果情形爲如此，圖6A之電荷 泵架構140組態爲包括m = 3不同電荷泵組態。 在此三組態之每一組態，提供電壓vPumP 142之輸出節 點Outp 143，應該經由專用輸出級適當連接至1 ’ 2或3 抽吸級。Outp節點進入一適當電壓調節器（例如 VXP —REG)，其調節電壓Vpump 142之希望値，停止電荷 15 312/發明說明書(補件)/92-07/92109459 200404303 泵之抽吸時脈 CK(圖5之1 14)。希望之値在五位元 (BIT<4 : 0>)予以數位化。此爲如何選擇希望之輸出。 在一種實施例，每一電荷抽吸級由2信號予以驅動： (I)PHP_n，其爲在抽吸電容器抽吸電荷之信號； (ii) PHS_n，其爲開啓/關閉抽吸級之內部開關之信號。 在一種實施例，每一輸出級由2信號予以驅動： (iii) PHP〇_n，其爲在輸出電容器抽吸電荷之信號； (iv) PHS^n，其爲開啓/關閉輸出級之內部開關之信號。 因此，圖6A之電荷泵140爲一種4相泵。此結果可容 易擴充至2相泵之情形。假設m = 3 (π，p)對爲：
Vpump一 1=>(η，p)一 1=(3，2)；
Vpump —2 = >(n，p)一2 = (2，2)；
Vpump一3=>(n ’ p) —3 = (1 ’ 1) 〇 在所有3組態，n g p。在此實施例，未使輸出級之數最 少。在以下之討論，說明如何管理一最佳化數之輸出級之 切換。 要完成可調諧泵，吾人自一種有3輸出級及6組控制信 號，亦 β卩 3 對（PHP，PHS)_1，（PHP，PHS)_2，（PHP，PHS)一3 供電荷泵級，及其他 3對（PHPo，PHSo) —1， （ΡΗΡο， PHSo) —2，（ΡΗΡο，PH So) —3供輸出級之（3 x 2 )泵開始。關 於用以指示諸相位之協議，如果在若干圖式中表示2由相 同相位PHP，PHS所控制之串聯級，則預計此二串聯級在 相同時間工作，但有不同相位。 例如，如果栗之4相位爲A，B，C，D，在圖式中由相 16 312/發明說明書(補件)/92-〇7/921〇9459 200404303 同相位PHP，PHS所控制之二級預計如下： (I)第一級由A及B相位所控制； (ii)第二級由C及D相位所控制。 在一種實施例中，藉一種適當停止泵之專用相位PHP， PHS之控制電路，便簡單獲得自一種組態至另一種組態之 切換。自（方程式4)明白，圖6A之動態電荷泵結構140， 爲較之於一種成大小爲供最大電壓Vpump_l之”靜態”傳 統（3 X 2)泵架構有效率者。表1槪述圖6A之動態電荷泵結 構1 4 0之工作。 表1
級/相位 已啓動/工作 V pump 1 (3x2) 已啓動/工作 Vp ump 2 (2x2) 已啓動/工作 Vpump 3 (lxl) 級1-1 X X X 飯2-1 X X 級3-1 X 級1-2 X X χ(註 1) 級2-2 X X 級3-2 X 級 1 - 1 〇 u t X 秦及2 - 1 〇 u t X 級 3 - 1 〇 u t X 級 1 - 2 〇 u t 不存在 不存在 不存在 級 2 - 2 〇 u t X 秦及3 - 2 〇 u t X (PHP，PHS) 1 X X X (PHP，PHS) 2 X X 級/相位 已啓動/工作 V p ump 1 (3x2) 已啓動/工作 Vpump 2 (2x2) 已啓動/工作 Vpump 3 (1x1) (PHP，PHS) 3 X (PHPo，PHSo) 1 X (PHPo,PHSo) 2 X (PHPo，PHSo) 3 X 註（1)即使不必要，也啓動級1 -2，以簡化控制電路。 請參照表1，例如，如果要僅啓動抽吸級1 -1，及1 -2工 17 312/發明說明書(補件)/92-07/92109459 200404303 作，貝[J 應使控制信號 PHP — 1 ， PHS — l ， ΡΗΡο一1 ，及 PHSo_l 作用’並中止所有其他控制信號。 圖6 B例示圖6 A之動態電荷泵結構1 4 0之控制電路1 8 0 之工作。圖6B之控制電路1 80啓動/中止適當相位，並有 BIT<4: 〇>，泵之時脈CKP作爲輸入，及信號PH[Px，及 PHSx作爲輸出。一”相位產生器” 182產生2信號，來自時 脈CKP信號181之PHP 186及PHS 18 8。根據解碼網塊184 所解碼，由BIT<4 : 0>所帶有之Vpump値，產生適當之啓 動信號（ΕΝΑ —XI，ΕΝΑ —X2，ΕΝΑ —X3)，而 PHP 及 PHS 信 號在適當線路傳遞，以饋給泵級：PHPS_n，PHS_n，PHPo_n 及 PHSo_n。 假設吾人界定BIT<4: 0>對應於Vpump之32電壓分段， 自1.75 V，直到9.50V，每一分段爲250 mV。使用上述 途徑，如果吾人界定目標 Vpump値在2.5 V，則將有 BIT<4 : 0> = 〇〇〇11。如果情形爲如此，在Vpump變成高於 目標値時，調節器VXP_REG獲得資訊，並停止CKP時脈。 該資訊由控制邏輯予以解碼，其決定（以此等資料之函數） 應啓動多少級。在此情形，根據表1，在2.5 V Vpump目標 値，啓動抽吸級1-1，1-2，2-1，2-2及輸出級2-lout及 2-2out，並中止所有其他諸級。 在本發明之一實施例中，圖7例示電荷泵架構200，其 中”η”始終-”p”（擴充至”p”始終-”n”之情形），並且不使輸 出級之數最少。 圖7之電荷泵架構200相似於圖6A之電荷泵架構140， 18 312/發明說明書(補件)/92-07/92109459 200404303 但僅存在有2(p_max)輸出級。啓動輸出級藉開關適當連接 在級1-1，或級2-1及2-2，或級3-1及3-2之輸出。 在本發明之一種實施例，開關之選擇如下： 如果泵爲正，可使用n-ch開關； 如果泵爲負，可使用P-ch開關。 開關之適當選擇允許吾人避免大量管理問題。 仍請參照圖7，在一正（負）泵，將開關接通（斷開）’控制 信號應參照一電壓高於（低於）Vpump値204當中之最高（最 低）電壓。在本發明之一種實施例，使用輔助泵AUX —PUMP 塊2 02產生一參考電壓203供控制信號。就總Supply而 言，如果使用一種適當架構（例如一種有一（n x 1 )結構及小 抽吸電容器之二極管泵），此種輔助泵之實施不會影響面積 佔用及效率。 仍請參照圖7，在調節Vpump_l，Vpump 2或Vpump 3 時，應適當關閉諸n-ch開關。AUX_PUMP塊202所表示 之輔助泵輸出電壓Vaux 203，其假設爲大於該最大Vpump 電壓（在此情形爲 Vpump__l)。在一種實施例，AUX_PUMP 202實施如一有小CP電容器之（4 X 1)泵。諸塊ELEV 208 使啓動信號Αηρ(η，ρ = 1··3) 210自Vdd電平移位至Vaux 電平（Anp —HV)。相對於圖6A，不需要ΡΗΡο及PHSo相位。 輸出級可藉PHP1及PHS1予以控制，由於諸第一抽吸級及 輸出級均在所有m組態工作。表2槪述圖7中所示.結構206 之工作。即使不必要，也啓動級1 -2，以簡化控制。 19 312/發明說明書(補件)/92-07/92109459 200404303 表2
級/相位 已啓動/工作 Vpump 1 (3x2) 已啓動/工作 Vpump 2 (2x2) 已啓動/工作 Vp u m p __ 3 (lxl) 級1 -1 X X X 級2-1 X X 級3-1 X 級1-2 X X X(註 1) 級2-2 X X 級3 - 2 X 〇 u t 級 1 X X X Out 級 2 X X X (PHP，PHS)_1 X X X (PHP > PHS) 2 X X (PHP，PHS)_3 X A11_HV X A21_HV X A31_HV X 級/€位 已啓動/工作 V pump 1 (3x2) 已啓動/工作 Vpump_2 (2x2) 已啓動/工作 V pump__3 (1x1) A 12_HV A22_HV X A32_HV X 在本發明之一種實施例，圖8A及8B示（nxp)及（pxn)電 荷泵架構220。使輸出級之數最少。更明確而言，圖8A例 示一有4串聯級及2並聯級之（4 X 2) PUMP 1 224。圖8B例 示一有2串聯級之（2 x4) PUMP2 222，並示4並聯級。下 列實施例可容易擴充至二一般泵之情形，一以（η X p )級作 成，及一以（pxn)級作成。 下歹！J說明指定示 PUMP 1 224可如何改變爲 PUMP2 222，而無面積浪費。此二泵間之過渡可使用於一種在其中 在二不同操作模式需要一有低lpump之高 Vpump(由 PUMP1所提供），或一有高lpump之低Vpump(由PUMP2 20 312/發明說明書(補件)/92-07/92109459 200404303 所提供）。 抽吸級之總數爲NS = 4x 2 = 8。輸出級之總最少數爲4。 如在前節中所述，諸個別電荷泵級可藉開關串聯或並聯連 接。在一種實施例，圖9示如何完成一種撓性（4 X 2)至（2 x4)泵。在需要（4x2)泵時，開關（1)242，（3.) 244 爲 OFF， 及開關（2) 246爲ON。在（4 X 2)泵，Outp節點248連接至 2輸出級，每一使二各包括4串聯級之並聯結構終止。 在另一方面，在需要（2x4)泵時，開關（2) 246爲OFF， 使4級之2鏈斷開成爲各爲2級之2鏈。開關（1) 242爲 ON，因此產生Vdd 250作爲源電壓至所獲得之新2鏈。開 關（3 ) 244爲ON，因此將二其餘輸出級並聯連接至先前二 級。 圖10示圖9之電路2 40之實際實施260，包含輔助泵 2 62,供控制信號264及266之電平移位器饋給每一單一級 之已啓動或中止之相位。圖9之泵之開關（1)268，（2)272 及（3 )270，係利用Vaux 274參考之信號S1HV276， S2HV 278，及S3 HV 280所選通之通道所實現。級1，2，5，6 由相位PHP a，PHS a予以控制。級3，4，7，8由相位PHP b，PHS b予以控制。此爲不必要（所有諸級在二架構均爲 ON)，但如稍後將會明白，對此結構產生較大適應性。out 級 1〇284 及 2〇286 始終爲 ON，而 out 級 3〇288 及 4〇290 僅在（2x4)架構爲ON，因而其控制相位不同。 圖1 1例示可如何施加不同控制相位至圖1 〇之泵架構 260，而藉以獲得不同組態。 21 312/發明說明書(補件)/92-07/92109459 200404303 更明確而言，有不同控制相位（PHP，PHS)_a及（PHP， PH S)_b供諸抽吸級，使下列架構爲可能（4 χ 2)(如以上所說 明），（2 x4)(如以上所說明），（2 χ2)爲使級3，4，7，8及 out級1〇, 2〇保持ON，而開關SI HV爲ON及開關S2 HV， S3 HV爲OFF所實現；並且如果將二其他對之開關S4_HV 302，S5 HV 304 置於 out 級 3〇，4〇 之後，二不同（2x2) 泵將3〇，4〇之輸出節點連接至Outp 306或至另一節點， Outp 2 308 〇 表3槪述圖10中所示供（4x2)，（2x4)及（2x2)架構之電 荷泵結構260之工作。 表3
級/相位 已啓動/工作 Vp ump 一 1 (3x2) 已啓動/工作 V pump_2 (2x2) 已啓動/工作 Vp ump — 3 (ixi) 級1 X X 級2 X X 級3 X X X 級4 X X X 級5 X X 級6 X X 級7 X X X 級8 X X X 0 u t 級 1 〇 X X X 0 u t 級 2 〇 X X X 0 u t 級 3 〇 X 0 u t 級 4 〇 X (PHP,PHS)_a X X (PHP，PHS)_b X X X (PHPo，PHSo)_a X (PHPo,PHSo)_b X X X S 1_HV X X S2_HV X S3_HV X 如果如在圖1 〇中，諸輸出級由不同之相位所控制，開 22 31刀發明說明書(補件)/92-07/92109459 200404303 關S 3 Η V便不必要：〇 u t級3 ο，4 〇可直接連接至級2，6 之輸出。在此情形，在不使用3 〇，4〇時，應中止其控制 相位。 在本發明之一種實施例，圖12示一種可轉移（ηΧρ)至一 (Ρ X η )泵架構3 2 0，而未使輸出級之數最少。就面積佔據而 言，輸出級之數無關緊要時，3 2 0架構具有重要性。如果 較之於圖8之可轉移220結構（ηχρ)至一（ρχη)，圖12之 3 2 0較爲嚴格，結構3 2 〇顯然具有下列優點：沒有開關參 考Vaux電壓。因此，在結構3 20中結構220之AUX-PUMP 及該電平轉換器（區塊E LEV)係爲不需要的。 仍請參照圖12，控制相位PHP及PHS，以及現在參考 Vdd 3 24之開關Sx 322，藉以可在一進入輸出級5〇，6〇之 通道後，將級1，2及5，6串聯連接至級3，4及7，8。 在實施（4 X 2)架構時，，該結構實際以一（2 X 2)泵作成， 其饋給另一（2x2)泵之輸出級5〇，6〇，與其輸出級1〇，2〇 串聯連接至Outp節點3 2 6，並提供所希望之Vpump電壓 3 2 8。 圖13示本發明之另一電荷泵架構350，其中有專用相位 (PHP，PHS)_a及（PHP，PHS) —b，藉以可獲得另一泵架構（例 如一種（2x2))，並可利用所有級由不同相位控制而達成較 大適應性。例如，利用專用相位供級1 (3 5 2 )，及2 (3 5 4)， 5 (356)及6(358)，輸出級5〇360， 輸出級6〇362，以及 開關Sx(變成S1364及S2366)，而獲得一種（2x1)或一種 (2 X 3 )結構。 312/發明說明書(補件)/92-07/92109459 23 200404303 表4槪述圖12中所示供（4x2)及（2x4)架構 之工作。 結構320 表4 級/相位 已啓動/工作 (4x2)架構 已啓動/工作 (2x4)架構 級1 X X 級2 X X 級3 X X 級4 X X 級5 X X 級6 X X 級7 X X 級8 X X 0 u t 級 1 〇 X X 0 u t 級 2 〇 X X Out Μ 3 ο X 0 u t 級 4 ο X Out 級 5 ο X 0 u t 級 6 ο X (PHP，PHS)_a X X (PHP，PHS)_b X X (PHPo，PHSo) a X (PHPo,PHSo) b X X (PHPo，PHSo)_ c X Sx X 【圖式簡單說明】 圖1示一種先前技藝電荷泵。 圖2例示圖1之電荷泵所特有之供給電壓爲 之函數。 圖3示一種包含二並聯電荷泵之先前技藝電荷 圖4爲一種用以在一積體電路內在內部產生 Vpump之本發明之裝置之平面圖。 圖5更詳細示圖4之裝置之電荷泵級。 圖6A示本發明之動態電荷泵架構，其中電 啓動信號 泵。 供給電壓 泵級之數 312/發明說明書(補件)/92-07/92109459 24 200404303 n=1 ’ 2或3及並聯級之數P = 2 ;亦即n - p，並且未使輸出 級之數最佳。 圖6B例示本發明之圖6A之動態電荷泵結構，其控制電 路之工作。 圖7示本發明之動態電荷泵架構，其中”n，，始終-，，p”（擴 充至P始終g n之情形），並且使輸出級之數最少。 圖8A及8B例示本發明之一種電荷泵架構（nxp)至一（p xn)泵’其中使輸出級之數最少。 圖9爲用以實施圖8A及8B之更特定撓性（4x2)至（2χ 4)泵之平面圖。 匱1 1 〇示包含輔助泵，供控制信號之電平移位器，及饋 給每一單一級之已啓動或中止之相位之圖9之電路之實際 實施； 圖1 1例示如何施加不同之控制相位至圖1 0之泵架構， 藉以獲得不同之組態。 圖12示在本發明之一種實施例，一種（η χρ)至一種（ρχ η)泵架構3 20，而未使輸出級之數最少。 圖 13示本發明之一種電荷泵架構，其中有專用相位 (ΡΗΡ，PHS)_a及（ΡΗΡ，PHS) —b，藉以可獲得另一泵架構（例 如一種（2 X 2))，並可獲得較大之適應性，而所有諸級由不 同相位所控制。 (元件符號說明） 10 電荷泵 12 供給電壓Vo ut 25 312/發明說明書(補件)/92-07/92109459 200404303 14 第一固定電壓輸入Vdd 16 電容器CP1 18 電容器CP2 20 時脈信號CK 22 電荷轉移速率之倒數/CK 24 外部時脈信號CLK 26 控制信號ΕΝΑ 28 級D1 30 級D2 42 Vref 44 固定値 64 0 u tp 66 電荷泵 68 電荷泵 70 Vdd 72 控制信號ΕΝΑ 1 74 控制信號ΕΝΑ2 76 Vpump電壓 80 裝置 82 供給電壓V p u m p 84 電荷泵級 86 電荷泵級 87 輸出級 88 電荷泵級 312/發明說明書(補件)/92-07/92109459 200404303 90 電荷 92 電荷 94 輸出 96 輸出 98 Vdd 102 第一 104 第二 106 加強 108 反相 110 輸出 112 抽吸 113 輸入 114 啓動 116 時脈 118 反相 120 寄生 140 電荷 142 電壓 143 輸出 144 電荷 146 電荷 148 電荷 1 50 電荷 152 電荷 栗級 泵級 級 節點Outp 開關 開關 電容器 器 節點 時脈信號 信號 時脈信號/CK 電容 泵架構 V p ump 節點Outp 泵級 栗級 泵級 泵級 泵級
312/發明說明書(補件)/92-07/92109459 27 200404303 15 4 電荷泵級 15 6 輸出級 15 8 輸出級 16 0 輸出級 16 2 輸出級 164 輸出級
1 80 控制電路 181 時脈CKP信號 18 2 相位產生器 184 解碼網塊 1 86 PHP
1 88 PHS 200 電荷泵架構 202 輔助泵AUX_PUMP塊
203 參考電壓 206 電荷泵架構 208 塊 ELEV 210 啓動信號Anp 22 0 電荷泵架構 222 PUMP2 224 PUMP 1 240 電路 2 4 2 開關（1 ) 244 開關（3) 312/發明說明書(補件)/92-07/92109459 200404303 2 4 6 開關（2) 250 Vdd 260 實際實施 262 輔助泵 2 6 4 控制信號 266 控制信號 2 6 8 開關（1) 270 開關（3) 272 開關（2)
274 Vaux 276 信號 S 1 HV
27 8 信號 S2 HV
2 8 0 信號 S3 HV 2 8 4 out 級 1 〇 2 8 6 out 級 2 〇 2 8 8 out 級 3 〇 2 9 0 out 級 4 〇
3 02 開關 S4_HV
3 04 開關 S5 HV 3 0 6 Outp 3 0 8 另一節點，〇utp 2 3 2 0 (pxn)泵架構 3 22 開關S X 324 Vdd 29
312/發明說明書(補件)/92-07/92109459 200404303 326 Outp節點 328 Vp ump電壓 350 電荷泵架構 352 級 1 354 級 2 3 5 6 級 5 3 5 8 級 6 360 輸出級5 〇 362 輸出級6〇 364 開 關S 1 366 開 關S 2 312/發明說明書(補件)/92-07/92109459

Claims (1)

  1. 200404303 拾、申請專利範匯 1 . 一種用以產生一供給電壓之模組式電荷泵，包含： 複數之電荷泵級，連接在一接收一供給電壓之輸入節黑占 與一傳送一輸出電壓之輸出節點間之複數之路徑，諸泵，級 各有一起動線接收一起動該泵級之啓動信號； 一邏輯電路，有邏輯元件之一種配置，同時產生啓動信 號傳輸至對應於一希望輸出電壓之諸泵級之諸起動線；以 及 從同時選擇性起動之諸泵級之數及配置產生希望之輸出 電壓。 2 . —種用以在一積體電路內在內部產生供給電壓之模組 式裝置，包含= 一第一複數之並聯連接塊之電荷泵級，包括一第一塊之 電荷泵級，一最後塊之電荷泵級，及至少一在其間之中間 塊之電荷泵級；其中每一該並聯連接塊之電荷泵級包括一 組第二複數之串聯串接之電荷泵級；及一連接至一輸出節 點之輸出級。 3 .如申請專利範圍第2項之模組式裝置，另包含： 一第一開關； 一第二開關； 一加強電容器，與該第一開關及該第二開關電連通；以及 一反相器，有一輸出與該加強電容器及一抽吸節點電連 通；該反相器有一輸入接收一啓動時脈信號至該加強電容 器；該第一及第二開關由對應於該啓動時脈信號之時脈信 31 312/發明說明書(補件)/92-07/92109459 200404303 號所操作。 4 ·如申請專利範圍第2項之模組式裝置，其中每一該電 荷泵級另包含一正電荷泵。 5 ·如申請專利範圍第2項之模組式裝置，其中每一該電 荷泵級另包含一負電荷泵。 6 ·如申請專利範圍第2項之模組式裝置，其中有一整數 第一複數之P塊，在每一該塊有整數N之電荷泵級；以及 其中電荷泵級之總數T等於NP，及輸出級之數等於p。 7 · —種用以在一積體電路內在內部產生供給電壓之模組 式裝置，該裝置包含一整數複數之Μ單一（N，P)電荷泵， 其中每一該單一（N，P)電荷泵包括一整數P之並聯連接塊 之電荷泵級，包含一第一塊之電荷泵級，一最後塊之電荷 泵級，及至少一在其間之中間塊之電荷泵級；其中每一該 並聯連接塊之電荷泵級包括一組整數N之串聯串接之電荷 泵級；及一連接至一輸出節點之輸出級；並且其中電荷泵 級之總數之整數T等於PMN ;及其中輸出級之整數〇等於 PM。 8.—種用以在一積體電路內在內部產生一供給電壓之裝 置，該裝置包含一整數複數之Μ單一電荷泵，其中一第一 單一電荷栗包含一單一（ηι，ρ!)電荷栗，其中至少一在其 間之中間單一電荷泵包含一單一（ni，Pi)電荷泵，及其中一 最後單一電荷栗包含一單一（nM，Pm)電荷泵；每一該單一 (ni，Pi)電荷泵包括一 Pi整數之並聯連接塊之電荷泵級， 包含一第一塊之電荷泵級，一最後塊之電荷泵級，及至少 32 312/發明說明書(補件)/92-07/92109459 200404303 一在其間之中間塊之電荷泵級；其中每一該並聯連接塊之 電荷泵級包括一組整數〜數之串聯串接之電荷泵級；及一 連接至一輸出節點之輸出級；以及其中輸出級之整數〇等 於Σ ;及其中電荷泵級之總數之整數T等於Σ pi)，i爲一小於或等於Μ之整數。 9. 如申請專利範圍第7項之裝置，其中在每一該單一 (ιυ，Pi)電荷泵，rii爲大於或等於Pi :及其中ni爲小於或等 於N ;以及其中Pi爲小於或等於P ;其中一整數P爲並聯 連接塊之電荷泵級之總數；其中一整數N爲串聯串接之 電荷泵級之總數；以及其中一整數S組之控制信號用以控 制每一該電荷泵級，並且其中至少一組該控制信號用以控 制一該電荷泵級。 10. 如申請專利範圍第8項之裝置，包括一整數複數之單 一電荷泵之Q !不同組態；其中供每一該組態，將每一該輸 出級連接至該輸出節點，並且其中供每一該組態，中止一 整數複數之C !電荷泵級，並且其中使用複數之控制信 號，在複數之Q i不同組態當中自適應式調諧該裝置，俾使 在該輸出節點之供給電壓及供給電流之產生最佳，及使在 該輸出節點之脈動電壓最低。 1 1 ·如申請專利範圍第7項之裝置，其中在每一該單一 (ni，pi)電荷泵，Pi爲大於或等於ni;並且其中pi爲小於 或等於P ;以及其中〜爲小於或等於N ;其中一整數P爲 並聯連接塊之電荷泵級之總數，其中一整數N爲串聯串接 之電荷泵級之總數；以及其中一整數S組之控制信號用以 33 312/發明說明書(補件)/9107/92109459 200404303 控制每一該電荷泵級，並且其中至少一組該控制信號用以 控制一該電荷泵級。 1 2 ·如申請專利範圍第1 〇項之裝置，包括一整數複數之 單一電荷泵之Q2不同組態；其中供每一該組態，將每一該 輸出級連接至該輸出節點，並且其中供每一該組態，中止 一整數複數之C2電荷泵級’並且其中使用複數之控制信 號，在複數之Q2不同組態當中自適應式調諧該裝置，俾使 在該輸出節點之供給電壓及供給電流之產生最佳，及使在 該輸出節點之脈動電壓最低。 1 3 ·如申請專利範圍第7項之裝置，另包括： 一輔助泵，組態爲產生一輔助電壓，用作一供整數複數 之S !控制信號之參考之電壓； 其中在每一該單一（ni’Pi)電荷泵，ni爲大於或等於Pi; 並且其中ni爲小於或等於N;以及其中Pi爲小於或等於P; 其中一整數P爲並聯連接塊之電荷泵級之總數，其中一整 數N爲串聯串接之電荷泵級之總數；以及其中使一整數 MINi之已啓動輸出級最少；以及其中使用整數複數之川 開關將每一該已啓動輸出級連接至該輸出節點，以及 其中至少一該控制信號用以控制一該電荷泵級。 1 4 .如申請專利範圍第1 2項之裝置，包括： 一整數複數之單一電荷泵之Q3不同組態； 其中供每一該組態，將每一該啓動之輸出級連接至該輸 出節點，並且其中供每一該組態，中止一整數複數之C3 電荷泵級；以及 34 312/發明說明書(補件)/92-07/92109459 200404303 其中使用複數之控制信號，在該複數之Q 3不同組態當中 自適應式調諧該裝置，俾使在該輸出節點之供給電壓及供 給電流之產生最佳，及使在該輸出節點之脈動電壓最低。 15.如申請專利範圍第7項之裝置，另包括： 一輔助泵，組態爲產生一輔助電壓，用作一供整數複數 之S2控制信號之參考之電壓； 其中在每一該單一（ni，pi)電荷泵，pi爲大於或等於ni; 並且其中n i爲小於或等於N;以及其中p i爲小於或等於p; 其中一整數P爲並聯連接塊之電荷泵級之總數；其中一整 數N爲串聯串接之電荷泵級之總數；以及其中使一整數 MIN2之已啓動輸出級最少；以及其中使用一整數複數之 U2開關將每一該已啓動輸出級連接至該輸出節點，以及其 中至少一該控制信號用以控制一該電荷泵級。 1 6 .如申請專利範圍第1 4項之裝置，包括： 一整數複數之單一電荷泵之Q4不同組態； 其中供每一該組態，將每一該啓動之輸出級連接至該輸 出節點，並且其中供每一該組態，中止一整數複數之C4 電荷泵級；以及 其中使用複數之控制信號，在複數之Q4不同組態當中適 應地調諧該裝置，俾使在該輸出節點之供給電壓及供給電 流之產生最佳，及使在該輸出節點之脈動電壓最低。 35 3 U/發明說明書(補件)/92-07/92109459
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