TW567673B - Control method of charge-pump circuit - Google Patents

Description

567673 A7 B7 五、發明說明（） 本發明涉及用比電源電壓Vdd小的階躍電壓來輸出升 壓電壓的充電激勵電路及其控制方法，特別是涉及一種除 去伴隨電荷轉送元件的寄生二極管的影響，能進行正常的 充電激勵動作的充電激勵電路的控制方法。 5 由戴庫松（Dicson )開發的充電激勵電路（charge-pump circuit) 是將多段激勵包（pumping packet)串聯連接，通過各激勵包的升 壓（voltage fluctuation )來產生比LSI芯片的電源電壓vdd還高的 黾壓。例如，用來產生用於閃存(Flash Memories)的程序/刪除 (program/erase)的電壓。 10 但疋，現有的充電激勵電路是以電源電壓Vdd的階躍來進行 升壓的，未提出能用比它小的電壓階躍來升壓的提案。例如，如果 能用〇.5Vdd的電壓階躍來進行升壓的話，就能大幅度地提高電源 電路的效率。 為此，本發明人提出了能用比電源電壓Vdd小的電壓階躍來 15進行升壓，並改善電路效率π的充電激勵電路。 下面，說明其的概要。第九圖和第十圖是表示+〇 5Vdd升壓充 電激勵電路的結構和動作的電路圖。該充電激勵電路對於輸入電壓 Vdd，生成1 .5 Vdd的升壓電壓。 將二極管D卜D2(電荷轉送元件）串聯在一起，電源電壓vdd 20 被作為輸入電壓Vin提供給二極管D1的陽極。二極管D1、D2例 如能由公共連接了柵極和漏極的MOS晶體管構成。S1、S2、S3是 用於在二極管D1、D2的連接點，將電容器丨、2切換為並聯或串 聯的開關。 這些開關SI、S2、S3例如能由MOS晶體管構成。3是向電容 -3- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ees Mfu —Μ— ΛΚΜ -ela ι rtt先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 567673 A7

五、發明說明（） 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 里驅動器。即時鐘驅動器3的輸出與電容器 2的-万的端子相連接。提供給時鐘驅動器3的電源電壓是侧， 大小是Vdd。糾，時鐘_ 3例如由_ 倒相器構成。 4是提供從二極管D2輸出的升壓電壓v〇ut的負載。 疋具有一極管D2的輸出節點的電容。 下面，參照第九圖、第十圖、第十一圖，就該充 動轴_月。第十—映該充《勵電路的工作波形圖。並^ 為了間早，使基於二極管m、D2的的壓降為〇v。 办 10器1、2的電容值相等。 如第九圖所示，當鐘驅動器3的輸人時鐘CLK L 低電平）時，如果S1，開督導通，仏斷開，則兩個電容器1、 2在一極㊁D卜D2的連接點（激勵節點）_聯連接。這樣， 二極管Dl、D2的連接點的電壓V1變聰。各電容器卜 15電到0.5Vdd。 无 此時，如果將從電源電壓通過二極管m流人電容器U 的電流設為lout，則同樣的電流I〇m流入時鐘驅動器3。 接著，如第十圖所示，當時鐘驅動器3的輸入時鐘CLK 電平（CLK=高電平）時，如果S卜導通，S2=斷開，.導通 兩個電容器卜2在二極管m、D2的連接點並聯連接。這樣一來， 因為各電容器卜2的電壓為Vdd/2，所以如果時鐘驅動器的輪出 為Vdd ’則一極f D卜D2的連接點的電壓yi被升壓為u細 此時，從兩個電容器卜2流出到下-段的二極管D2的電流變。 2I〇ut。從時鐘驅動器3流出同樣的電流21〇说。 5 20 -4- 本紙張尺錢财_家標準—4規格⑵〇 x挪公爱 請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁}

-i US s§. is I 裝 567673 A7 B7 五、發明說明（ 5 10 15 20 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 如果使從二極管D2輸出的輸出電流2i〇ut 一定，使各電流都 為時間平均電流，則正常時為如下情況。 1) Vout 1.5Vdd (但是，驅動器的電源電壓為醫）。 2) 輸入電流=〇.5 lout 3) 從時鐘驅動器的電源Vdd流出的電流=I〇ut。 本實施例的充電激勵電路的要點是按照時鐘CLK的電平，反 覆進行串聯電容器1、2進行充電，並聯電容器卜2進行放電，據 此，以0.5 Vdd的電壓階躍來進行健。另外，在此的要點是當 時鐘CLK=L時，來自電源電壓Vdd的輸入電流㈣灿是輸出電 机2Iout的1/2。據此，就能使不進行輸出電壓調整情況下的電路的 理論效率7?為1GG%’就不會發生使升壓電壓為丨時所導致的 電力損失。 即’輸入電流變為CLK=H時的2Iout和CLK=L時的lout的和， 所以充電激勵電路的效率7^=輸出電力/輸入電力 =(1+0.5) VddXIout/VddX (1+0.5) XI〇ut =1=100% 因此，以上所述的充電激勵電路實質上可稱作〇_5段充電激勵 電路。並且，電路的理論效率;^能設為1〇〇%。還可以考慮其它產 生0.5Vdd這一電壓的方法。例如，基於電阻分割的方法。但是無 法使電路的效率7/為100%，並且伴隨著電力損失。 對此，在本發明人提出的充電激勵電路中，因為按照時鐘CLK 的電平將電容器的連接交替切換為並聯和串聯，所以理論上電力損 失為0%。 另外，不根據時鐘CLK的狀態，使兩個電容器1、2保持串聯 -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項再填寫本頁)

567673 A7 B7 五、發明說明（ 10 15 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 X 消 費 合 作 社 印 製 20 進行工作(Sl=斷開、S2=導通、S3=斷開），進行與現有的充電激勵 電路相同的工作，變為Vout=2Vdd。此時，設置開關控制電路（圖 中未顯示），通過從該開關控制電路向開關S1、S2、S3提供開關控 制信號，就能使兩個電容器1、2總是串聯連接，或按照時鐘CLK 的電平切換為_聯或並聯連接。 即’本貫施例的充電激勵電路作為輸出電壓v〇ut能得到1 5Vdd 或2Vdd。換言之，能進行〇·5段和1段的切換。 但是，本發明人的研究表明，當從第九圖的狀態向第十圖的狀態轉 變時，反之，從第十圖的狀態向第九圖的狀態轉變時，如果不調整 時鐘CLK變化的定時和開關S1、S2、S3的切換定時，則容易產生 錯誤動作。 例如，當從第九圖的狀態向第十圖的狀態轉變時，在開關S2 導通的狀態下，如果使時鐘CLK從L電平向Η電平變化，則二極 管D卜D2的連接點的電壓V1變2Vdd。 另外，當從第十圖的狀態向第九圖的狀態轉變時，在開關S1、 S3導通的狀態下，如果使時鐘CLK從H電平向L電平變化，則二 極管D卜D2的連接點的電壓V1變〇 5Vdd。 鑒於以上所述問題的存在，本發明的目的在於：提供一種防止 以電源電壓Vdd以下的小電壓階職行升壓的充電觸電路的錯 誤動作的充電激勵電路控制方法。 為實現以上所述目的，本發明的充電激勵電路的控制方法調整 時鐘CLK變化的定時和開關8卜S2、S3切換的定時。即按照以下 所述的步驟行①〜⑦來進行控制。 ①在時間CLKL為l電平的狀態下，通過使開關幻（第一開 -6- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

勹67673 A7 B7 、發明說明（ 關裝置）導通來串聯連接電容器丨、2。 ② 斷開開關S2。 ③ 使時鐘CLK為Η電平狀熊。 ④ 通過使開關S1、S3 (第二開關裝置）導通來並聯連接電容 5 器 1、2 〇 ⑤ 使開關S1、S3斷開。 ⑥ 使時鐘CLK為L電平狀態。 ⑦ 重覆以上所述①〜⑥的步驟。 下面，參照附圖就本發明的實施例加以說明，其中： 1〇 第一圖是表示本發明實施例的充電激勵電路的控制方法的 f請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 電 路圖 路圖。 第二圖是表示本發明實施例的充電激勵電路的控制方法的 電 15 路圖 第三圖是表示本發明實施例的充電激勵電路的控制方法的 電 « 路圖 路圖 弟四圖疋表示本發明貫施例的充電激勵電路的控制方法的電 〇 第五圖是表7F本發明實施例的充電激勵電路的控制方法的電

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 路圖。 第六圖是表示本發明實施例的充電激勵電路的控制方法的電 時圖 第七圖是表示本發明實施例的充電激勵電路的控制方法的定 〇 第八圖是表示本發明實施例的充電激勵電路的控制方法的電 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4 x 297公 567673 A7 B7 五、發明說明（ 路圖 n it H ίβ !ί 10 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 第九圖是表示現有例的充電激勵電路的結構和 第十圖是表示現有例的充電激勵電路的往構和 、％圖c μ ^ U構和動作的電路圖。 料-圖是表滅有例的无電激勵電路的結構和動作的電路 請參閱第-圖至第六圖是表示輪出+0_5·的升要電壓 激勵電路的結構和動作㈣關。該充電激勵電路對賴入; Vdd，生成+1.5Vdci的升壓電壓。 ％ & 因為充電激勵電路的結構除了控制核，與第域和第十圖所 示結構相同，所以省略其說明。 ° 下面，參照第-圖至第七圖，就以上所述的結構的充電激勵電 路的控制方法加喊明。奸圖是表示充電麟電路的控制方法的 第一定時圖。 並且，時鐘驅動器3的電源電壓為與輸入電壓相等的(例 如5V)，電容器i、2的電容值相等。將二極管〇卜D2 (電荷轉送 兀件）和開關SI、S2、S3導致的電壓下降作〇v來進行說明。 另外開關SI、S2、S3的通斷控制由圖中未表示的控制電路進行。 (1)第一控制步驟 在時刻tl，時鐘驅動器3的輸入時鐘Clk L電平的狀態下， 使開關S2導通（開關S1、S3斷開）。據此，兩個電容器1、2對於 激勵節點串聯連接。這樣一來，電容器卜2分別被充電到〇 5Vdd 的電壓，激勵節點的電壓V1變 Vdd。另外，圖中 VA-VB=(X5Vdd ’ VOOV。輸入電流i〇ut流入二極管D卜lout流 入時鐘驅動器3 (參照第一圖、第七圖並且，圖中VA是電容器 圖 -8- 麥紙張尺度週用干國國豕棵準（CNS)A4規格(2lfT297八妥7 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -n 1 ί δ ίββ 1 裝 9 I n n· δ— aB8 d— 8«. 訂- 567673 A7 B7 五、發明說明（ 5 10 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 1和開關S2的連接點的電壓，VB是開關S2和電容器2的連接點 的電愿，VC是電容器2和時鐘驅動器3的連接點的電壓。 (2) 第二控制步驟 接著，在時刻t2,在下-個時鐘CLK [電平的狀態下，使 ，關S2斷開。據此，變為開關I S2、S3都是斷開的狀態。各 印點的電壓保持不變（參照第二圖、第七圖）。 (3) 第三控制步驟 ，著，在t3 _，8卜S2、S3都維持_的狀態，使時鐘從 =向Η電平變化（CLK=H)。這樣—來，通過電容器耦合的效 果，VB=1.5Vdd (參照第三圖、第七圖）。 (4) 第四控制步驟 2在在軸W，使賴S1,導通。來，電容器1、 在激勵即點是並聯的，所以激勵節點的電壓％變15侧。此 ==VB=1.5Vdd。此時’電流21叫辦鐘驅動器3流 :、2。而且’與此相等的電流2I〇ut流入二極管D2 (夂 照第四圖、第七圖）。 ^ (5) 第五控制步驟 接^在時刻t5，使時鐘CLK維持h電平使開關s 斷開。據此，開關S1、S2、Μ去w 維持（參照第五圖、第七圖）。各節點的電壓都被照原樣 (6) 第六控制步驟 鐘’在開關S1、S2、S3都斷開的狀態下，使時 4 H电平變為L電平（參照第六圖、第七圖）。 然後’回到所述第—_步驟，重覆第—控制步驟〜第六控制 -9- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

3Ϊ e! (s ffi I ·,-------裝 9 ίϊ= n 18a ^ΛΒΚ 1 - 1— 3Ra 訂· ‘紙張尺度適用中國國家;^準 210 X 297 公釐） 567673 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 一一 B7 —a———μμμμ—丨丨丨 __ιι -im t 丨_ ___ _丨··mB 丨·___丨！LtJlMUMJ^_ . 五、發明說明（） 步驟。 根據以上所述的充電激勵電路的控制方法，時鐘CLK的變化 的定時和開關SI、S2、S3通斷的定時調整結果是激勵節點的電壓 VI在Vdd〜1.5Vdd之間變化，所以防止了無法正常進行充電激勵動 5 作這一問題。 另外，在本實施例中，表示了對輸出+05Vdd的升壓電壓的i 段充電激勵電路的適用例，但本發明通過增加充電激勵的段數（級 數），也能適用於輸出+1.5Vdd的升壓電壓的2段充電激勵電路。 一般來說，也能適用於本實施例的充電激勵電路為核心而組合 10 的多段充電激勵電路。 在這樣的多段充電激勵電路中，如第八圖所示，例如，在第一 段輸出0.5Vdd的電壓’在第二段以上，變為Dicson型的一般充電 激勵電路的結構。並且，在第八圖的充電激勵電路中，

Vout=3.5Vdd 〇 15 另外，本貫施例的充電激勵電路是將兩個電容器1、2切換為 串聯和並聯，進行+〇.5Vdd的電壓階躍的升壓的類型，但通過將兩 個以上的電容器切換為串聯、並聯，能進行更小的電壓階躍的升 壓。本發明也能適用於這樣的充電激勵電路。並且，開關S1、s2、 S3可以由MOS晶體管構成。另外，二極管〇卜D2可由連接了柵 20 極與漏極的MOS晶體管來構成。 根據本發明的充電激勵電路控制方法，通過反覆使電容器在激 勵節點上結合為_聯和並聯，能在以電源電壓以下的電壓階躍進行 升壓的充電激勵電路中，防止激勵節點過渡性地變為異常電壓，所 以能正常地進行相關的充電激勵動作，並且還具有提高電力效率這 •10- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

567673 A7 B7 五、發明說明（） 樣的效果 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 9 n» Is ils 9ny fl_i i« rsl- · 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 567673 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 一---------一 R7 五、發明說明（） ~ ~ 圖式之簡單說明： 第一圖疋表7F本發明實施例的充電激勵電路的控制方法的電 路圖。 第一圖疋表7F本發明實施例的充電激勵電路的控制方法的電 5 路圖。 第三圖是表示本發明實施例的充電激勵電路的控制方法的電 路圖。 第四圖是表示本發明實施例的充電_電路的控制方法的電 路圖。 1〇 第五圖是表示本發明實施_充電激勵電路的_方法的電 路圖。 第六圖是表示本發明實施_充電路隨制方法的電 路圖。 第七圖是表示本發明實施_充電_電路的控制方法 15 時圖。 第八圖是表示本發明實测的充電_電路的控制方法的· 路圖。 / ^ 帛九圖S标财例的充電躺電路的結構和_的電路圖。 第十圖是表示現有_充電激勵電路的結構和動作的電路圖。 20 第十一圖是表示現有例的充電激勵電路的結構和動作的電路 -12- --a f請先閱讀背面之>i意事項再填寫本頁} 訂-

567673 A7 B7 五、發明說明（） 圖號說明： 電容器1、2 時鐘驅動器3 開關 SI、S2、S3 5 二極管 D1、D2 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 訂： 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 •種充電激勵電路的控制方法，是包括串聯連接的第一和 第^電荷轉送元件、第一和第二電容器、向第二電容器的一端提供 争i里的時|里供給裝置、用於將所述第一和第二電容器串聯連接在第 μ和第二電荷轉送元件的連接點上的第一開關裝置和用於將所述 第和第二電容器並聯連接在第一和第二電荷轉送元件的連接點 上的第二開關裝置，並從所述第二電荷轉送元件輸出正的升壓電壓 的充電激勵電路的控制方法；其特徵在於：具有： 通過在所述時鐘為低電平的狀態下使所述第一開關裝置導 通’來串聯連接所述第一和第二電容器的第一步驟； 10 使所述第一開關裝置斷開的第二步驟； 使所述時鐘為高電平狀態的第三步驟； 通過使所述第二開關裝置導通，來並聯連接所述第一和第二電 容器的第四步驟； 使所述第二開關裝置斷開的第五步驟； 15 使所述時鐘為低電平狀態的第六步驟； 重覆所述第一〜第六步驟。 2·依據申請專利範圍第1項所述的充電激勵電路控制方法， 其特徵在於： 所述第一和第二電荷轉送元件是二極管。 20 3 ·依據申請專利範圍第1項所述的充電激勵電路控制方法， 其特徵在於： 所述第一和第二電荷轉送元件是MOS晶體管。 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ------訂----- C請先閱讀背面之ii-意事項再填寫本頁)