TW550877B - Charge pump apparatus having multiple independently activated charge pumps and corresponding method - Google Patents

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550877 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（） 相關申請資料 本申請和1999年10月29曰申請US專利申請序號 09/430,807 名爲 ” Charge Pump System Having Multiple Charging Rates and Corresponding Method M (Attorney Docket No· HQ9-98-077)有關，在此併爲參考。 發明範疇 本發明和積體電路有關，特別是和維持一積體電路中内 部產生之供應電壓電路及方法有關。 發明背景 常需於積體電路内部產生一供應電壓。記憶體電路如可 能需要内部產生一特定供應電壓做爲一升高字線供應電壓 (如3·3 V)或負字線低供應（如-0.5V)。充電泵是可容易併入 積體電路之裝置，其可用於產生及維持來自外部電壓供應 之内部供應電壓。 圖9只是説明而非限制充電泵之定義，顯示一充電泵250 之簡單架構，用以自第一常數電壓輸入Vdd產生一供應電 壓Vout。該充電泵250接收一決定該電荷轉移率之CLK輸 入及控制該充電泵開關切換之控制信號P 1。如稍後所述 CLK提供該充電泵時鐘信號Vclk及其相反/Vclk，在此電容 CP2及CP1交替保持。在CLK第一個半循環，Vclk保持 高，/ Vclk保持低及CP1由該電壓輸入Vdd充電使C P 1之電 壓升至/Vclk + Vdd。在CLK之第二個半循環，Vclk降低同 時/Vclk升高。這使CP1之電位上升，同時CP2之電位暫時 下降使儲存於C P 1之電荷轉移至C P 2。最後在CLK之第二 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事_填寫本頁)

I -裝 » . 550877 A7 B7 五、發明說明（） 個全循環，電荷自C P 2轉移至該產生電壓供應輸出Vout。 對供應電壓之電流需求視該積體電路之作用狀態變化。 例如在如電腦及印表機之許多系統，記憶體晶片有時在需 很高電流之作用模式作用，例如在該晶片存取資料；而其 它時候於需要很少電流之備用模式或睡眠模式作用，如只 需保持該電部穩態電壓程度如Vbleq在不存取記憶體單元時 防止淺漏電流。 圖1 0顯示一先前技術之充電泵系統範例，具作用充電泵 124及備用充電泵126。該作用泵124由一”泵啓動”信號P 1 啓動，同時該備用充電泵126仍持續啓動以供應電流至該 晶片，如維持該供應Vout電壓程度防止電荷洩漏劣化所 需。該作用泵124是用來符合作用操作電流之大需求，因 此泵率較該備用充電栗126高，即容量較高或電荷轉移率 較高。另一方面該備用充電泵126設計爲消耗少量功率及 長時間維持該輸出電壓於幾乎常數程度，因此爲低泵率即 較慢。 在該晶片無字線啓動時，該備用泵126只需補充備用模式 或睡眠模式中洩漏之電荷。一旦激化字線以存取一儲存位 元或進行更新作用，該作用泵打開。和該作用泵相較，該 備用充電泵126持續以單一及較慢速作用，即根據未變更 之一 CLK頻率。目前爲止因該備用充電泵持續以較該作用 泵低之輸出電流作用，該備用泵需設計爲該功能專用之分 開單元。該備用充電泵126提供較一作用泵124低許多之輸 出電流，但實施於該備用泵126所需之晶片區和實施該作 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事填寫本頁) liu -丨裝 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 550877 A7 B7 五、發明說明（3 ) 用充電泵124相當。 圖1 1之時序圖説明圖1 0所示該先前技術充電泵系統之作 用。作用充電泵124如傳統以一環形振盪器驅動，該振盪 器有一固定輸出頻率以和先前參照圖9所述該充電泵類似 方式做爲該充電泵之一 CLK輸入。結果在操作之一作用 期，作用充電泵124造成該輸出電壓快速升降，因該作用 充電泵124只可根據超過單一信號電壓Vref之輸出電壓 Vout而致動或去致動。該沖擊程度和該限制器速度及該接 線阻抗有關。接線電阻高及回授速度較慢之限制器將有較 高沖擊程度。這是因在該限制器偵測該輸出程度在目標程 度之下時，將致動一控制信號（未顯示）以打開該泵。首先 要花時間觸發控制信號，然後花更多時間沿該接線將該控 制信號和該充電泵回通。在這些時間該電壓程度持續下 冲。類似地當該限制器偵測該輸出程度到達該目標程度， 會產生一控制信號關掉該充電泵。但產生該控制信號及將 之和该充電泵回通之延遲造成該電壓程度過沖。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 種降低此沖擊之方式是利用高速限制器。但一般認爲 高速限制器並不適用，因其利用消耗高DC電流之―電^電 壓分配器及差動放大器使之消耗高功率。另一可能是利用 較寬之導體降低接線阻抗。但這直接造成晶片面積增加。 邊Vout電壓程度之大汁擊對該記憶體晶片造成雜訊。該備 用无電聚126亦在該作用期操作，但其輸出電流對％ 降之影響很小，：IL輪屮吟、亡土、、、a 榆出電流較孩作用充電泵124小許多。 在操作之備用期，該作闽毛 、 乍用果12 4由孩泵啓動信號p 1禁制 表紙張X：度適6國國家標準 -6- 550877 A7 五、發明說明（ 而關掉。但該備用泵126並未狀 厭^ ^ 禾卞制，而在需恢復該輸出電 壓Vout爲其目標程度時持嶠 Λ7 + 秤1作用。以此方式該輸出電壓 --------------裝--- (請先閱讀背面之注意事填寫本頁) vout在作用及備用期維持爲或料其目標程度。 本發明之一目的是提供_盔皇 …、專用備用无電泵之充電泵系 統，因此降低該半導體晶片之配置面積。 本發明另一目的是提供_充雷 、 尤私条系統，其中該電壓供應 u何轉換率讀轉供應到達之電壓程度函數變化。 、本發明還有一目的是提供-充電栗系統，其中不同組之 无電^應該電壓絲料㈣敎祕錢獨立開關。 本發月仍#目的疋由根據到達之電I程度變動電荷轉 =率而較精確控制該電壓供應程度，因此降低和該電壓供 應線耦合之沖擊及雜訊量。 發明概論 本發明之複式充電率充電栗系、统及方法提供本發明這些 及其它目的。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 巧€電泵系統心操作是在該產生電壓供應程度低於一第 :預定程度時，該第一及第二充電系組動作將該電壓快速 ^至其目；f示私度。當該電壓超過一第一預定程度該第一組 充電泵關掉，但該第二組繼續動作以增加如該電壓供應程 度只是速率較之前低。最後當該電壓供應升至超過一第二 預定程度（通常和該目標電壓程度對應）之程度時，將該第 二組充電泵也關掉。 此時留一組充電泵打開做爲在較低速動作之備用充電泵 以幫助維持該目標電壓程度。當該電壓再次降到該第二預 550877 A7 -------------B7 _ 五、發明說明（5 ) 一 — ~ 足程度下時，該第二組充電粟具会h門 几私承丹/人打開以再以較慢速增加 該電壓爲該目標程度。炉苦兮m — 知狂反1一右及罘—組无電泵未輸出足夠功 率’孩電壓將降到該第-預定電壓程度之下。在此情形該 第一组充電系將再次和該第i组並行打開使該電荷轉移率 增加而該電壓再次恢復爲其目標程度。 以下所示實施例雖只描述產生電壓供應到達二預定程度 之充電泵範例，精於本技術者將知道本發明之原則及技術 如何應用到控制受不只二電壓程度影響之系統。利用本發 明孩輸出電壓程度維持較緊密之控制而無上述使用高速限 制器或較寬接線樣式之缺點。 圖式簡述 圖1之方塊圖顯示依照本發明第一實施例架構之充電泵系 統。 圖2之時序圖顯示控制信號C0及C1之致動和該電壓供應 程度之關係。 圖3是一二級限制器112之略圖。 圖4是一替代二級限制器212概圖。 圖5是一環形振盪器210概圖。 圖6是本發明之複式充電泵實施例方塊圖。 圖7是本發明另一複式充電泵實施例方塊圖。 圖8是圖6所示該實施例之備用限制器/振盪器3 10概略方 塊圖。 圖9之概圖説明一先前技術充電泵範例。 圖1 〇之方塊圖説明一先前技術之充電泵系統。 -8 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

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t5J 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 550877 A7 ------- R7______一 五、發明說明（） 圖1 1之時序圖説明圖i 〇所示該先前技術充電泵系統動 作。 圖1 2 t簡化概圖説明本發明所用雙模式充電泵架構及控 制信號互連結。 較佳實施例細述 圖1 I方塊圖顯7F依照本發明一第一實施例之產生器系統 10。在此實施例如同在此所述其它實施例由一充電泵2〇至 一產生電壓供應Vout之電荷轉移是回應該電壓供應vout達 多個預足電壓程度而控制。該產生器系統包括_二級限制 器12，其回應Vout到達之電壓程度變更其輸出之控制信號 C 0及c 1狀態。控制信號c 〇及c i分別做爲振盪器i 5及i 6 以及充電泵20及30之輸入。充電泵2〇、3〇及限制器丨：接 收泵啓動電路18之一啓動輸入ρι。控制信號c〇&ci分別 控制充電泵20及30之輸入。 圖3顯示可做爲圖丄所示限制器丨2之一二級限制器112概 圖。限制器112包含一電阻分配器，由該串聯電阻R i、R2 及R3以電晶體對P6〇及N70和Vout跨接形成。該電阻分配 器提供輸出電壓K1及K2和Vout有預定之關係。差動放大 器30回應該分配電.K1超過一固定參考電壓〜^將一控制 仏號C 0去致動。差動放大器4 〇以相同方式將一控制信號 C 1去致動，只是其動作和該分配電壓κ 2有關。該二級限 制器由一利用控制該電晶體開關pM〇s P6〇加上nM〇s N70 將該產生器系統啓動及禁制之泵啓動信號p 1進行開關切 換。故當Vout在一第一電壓程度VI之下時，限制器112保 -9- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事^ ί Μ,—— ▼ :填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 550877 A7 B7 五、發明說明（） 多。用於一或多個充電泵20之外部電壓供應Vdd程度或儲 存電容CPI、CP2之電容可增爲大於充電泵3〇所用値。精 於本技術者將了解以上參數之變動將提供充電泵2〇及3〇間 電荷轉移率相對之差異。 圖5顯示提供振盪CLK輸出之範例振盪器21〇架構。該範 例振盈器210包含五級’各提供反映於各級b、c、d、E及 F輸出節點之一可控制延遲。各級包含電阻R1〇1A、 R101B、pMOS電晶體開關P201及nMOS電晶體開關N201。 控制信號C 0或c 1啓動振盪器210動作。 在另一實施例各組充電泵包含多個充電泵。因此在圖6所 示之實施例600，一第一組充電泵CP2，CPn-Ι等和接收控 制信號C0轉合，同時一第二組充電泵CP3，cPn等和接收 控制信號C 1及一泵啓動輸入p i耦合。二級限制器丨12 (見 圖3 )依照該電壓供應Vout到達之程度決定控制信號c 〇及 C 1狀慼。另一充電泵340爲一雙模式充電泵接收非P1之備 用限制器/振盪器310輸出之控制信號cs。充電泵CP1 340 如圖1 2所示架構及接收控制信號。要知道啓動cp 1 340動 作時，只在作用期作用之p 1、C 〇或C 1控制信號均不需 要。 圖8顯示備用限制器/振盪器310之架構。此電路輸出一備 用時鐘CKS至雙模式充電泵CP1·。限制器3 12利用使用一低 電流差動放大器501及電阻R2 4及R25形成之電阻分配器之 一電壓分配器產生一備用控制信號。該電阻分配器總串聯 電阻較圖3所示限制器112之電阻R 1、R2、R3總串聯電阻 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公餐） (請先閱讀背面之注意事填寫本頁) 丨裝 1-J· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 550877 A7 ___B7 _ 五、發明說明（） 大5至20倍。希望R24、R25之電阻越高且電流差動放大 器501低，以降低如該積體電路在暫停或睡眠模式之備用 期D C功率消耗。另一方面，電流差動放大器3 0、4 0越高 且作用限制器112之電阻Rl、R2、R3越低使作用期之控制 信號C 0、C 1快速切換。 差動放大器501之輸出只在P1不作用之備用期選爲Cs輸 出。否則控制信號C 1在P 1作用之作用期做爲控制信號c s 輸出。振盪器503在控制信號C s作用時均提供輸出頻率至 充電泵340。故不論其它控制信號之狀態，振盪器503均提 供一啓動輸出頻率CKS至雙模式充電泵340。 該複式充電泵系統實施例600在作用及備用模式均動作。 在作用期（作用模式動作），該P 1信號作用，由圖3很明顯 使二級限制器112輸出控制信號c 0及C 1。控制信號C 0以如 上述圖1之充電系2 0類似控制方式控制各充電泵c p 2、 CPn-Ι動作。控制信號C 1如上述圖1之充電泵3 〇類似控制 方式控制各充電栗CP3、CPn動作。在作用期充電栗CP1 340在信號C s控制下動作，作用幫助電荷送至v〇ut之作用 充電泵。 在備用期（備用模式動作），該泵啓動（P丨）信號去激勵。 接著將二級限制器112及振盪器32〇、321禁制。所有這些 唯作用泵（CP2· . .CPn)之充電泵然後關掉。但備用限制器 振盪器310及充電泵CP1 340繼續在該備用期作用。該pi之 去致動造成多工器502選擇該備用限制器3 12之輸出然後以 控制信號Cs送至振盪器503。振盪器503接著提供雙模式充 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公楚）

(請先閱讀背面之注意事S •裝--- f填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 550877 A7 B7 11 五、發明說明（） 快速切換控制信號C 0、C 1。 在作用期，多工器220回應該泵啓動信號P1之作用選擇 輸出該控制信號C 0做爲控制信號C X。當在作用期P 1不作 用時，差動放大器120之輸出由多工器220送至輸出Cx。 該複式充電泵系統實施例700於作用及備用模式動作。在 作用期（作用模式操作）該P 1信號啓動，這在圖4很清楚造 成二級限制器2 12輸出控制信號C X、C 0及C 1。控制信號 C0以上述控制圖1充電泵20之相同方式控制各充電泵 C P 2，C P η - 1動作。控制信號C 1亦以上述控制圖1充電泵 30之相同方式控制各充電泵CP3、CPn動作。在作用期充 電泵CP1 44〇亦幫助送電荷至Vout。 在備用期（備用模式操作）該泵啓動（p丨）信號去致動。接 著將该C0及C1控制信號及振堡器421去致動。所有唯作用 泵CP2 · · · CPn然後關掉。但該不作用p丨信號選擇差動放大 器120之Cy輸出做爲多工器220之（^輸出。該（^信號然後 在該備用期控制振盪器420及充電泵CP1 440之動作。在該 備用期，該C X控制信號依照該輸出電壓v〇ut在由電阻R工4 及R15決定义預定電壓程度下或上而致動或去致動。 440然後在孩備用期依照信號Cx狀態開關切換。因此cpi 440以雙模式充電泵動作，其以作用及備用期中輸出電壓 Vout到達之電壓程度函數開關切.換。 精於本技術者將了解本發明原則適用於將在此所述實施 例略改爲以具不只二級之限制器及具對應輸出頻率數之振 盪器更精細控制輸出電壓之系統。 (請先閱讀背面之注意事4 I · I I f填寫本頁) •f· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -14-

Claims (1)

1. 550877 A B c D

   ^ 089124175號專利申請案 中又申請專利範圍替換本(92年4月） 六、申請專' 複率充電泵產生器裝置，用以產生及維持於 電路内部產生電壓供應之程度，該產生器系統包含： 限制為，回應該電壓供應到達一第一預定電壓程度 而夂更一第一控制信號狀態，及回應該電壓供應到達一 第二預定電壓程度而變更一第二控制信號狀態； :^一泵組具至少一充電泵，該第一泵組之開關切換 由孩第一控制信號狀態決定；以及 -第二泵組具至少一充電泵，該第二泵組對該電壓供 應之電荷轉移和該第一控制信號狀態無關，該第二泵组 之開關切換由該第二控制信號狀態決定，該多個充電泵 i二至> 一雙模式充電泵在一作用期以一作用充電泵和 ❹二泵组其它充電泵動作’該雙模式充電泵在備用期 做為一備用充電系在該第n组其它充電系關掉時 轉移電荷至該電壓供應。 2. 如:請專利範圍第！項之產生器裝置，另包含—備用限 制器在該備用期回應該電壓供應電壓程度之變化，於制 該備用充電泵之開關切換。 二 3. 如。申請專利範圍第2項之產生器裝置，其中該第二控制 #就在孩作用期控龍雙模式充電录之開關切換。 4· ^申請專利範圍第1項之產生器裝置’其中該限制器是 包含-作用限制器及一備用限制器之雙模式限 2作用限制器在作用期對應該電壓供應程度而變更該第 ^及j制信號狀態，及該備用限制器在該備用期對應 到達一第三預定電壓程度之電壓供應程度變更第三控制 本紙張尺度適财a s家_(咖）A4規格^^297公釣 550877 申請專利範圍

   信號狀態，該第二枯告丨丨^士魏* + &很 币一 &刷仏唬在孩備用期控制該雙模式充 電泵之開關切換。 5. 如申請*專利範圍第4項之產生器裝置，其中該作用限制器 對孩弟-及第二控制信號變更之影響較該備用限制哭 快。 6. 如申請專利範圍第4項之產生器裝置 器消耗電流一般較該作用限制器少。 7·如申請專利範圍第4項之產生器裝置 器及該備用限制器各包含電阻分配哭 器之電阻分配器包含之總電阻是該割/旧；Τ」哏制 倍。 1下用限制态又5至2〇 8. 如申請專利範圍第2項之產生器裝w ’其中該作用pg 器在該備用期關掉。 』限 9. 如申請專利範圍第4項之產生器裝置， 、、 器在該備用期關掉。 -中孩作用限 其中該備用限制 其中該作用限制 其中該備用限制 制 制 -2- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)