TWI360936B - Method of forming a floating charge pump and float - Google Patents

Description

1360936 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明一般係關於電子裝置’更特定言之，係關於形成 - 半導體裝置之方法及結構。 - 【先前技術】 過去，半導體工業利用各種方法及結構來形成充電泵電 路。充電泵電路一般為接收電壓並產生大於所接收的電壓 ^ 值之輸出電壓的電路。在某些情況下，使輸出電壓反相以 建立自正電壓來源的負電壓。圖〗一般解說典型的先前技術 充電泵電路100。先前技術充電泵電路i 〇〇接收電壓輸入i 〇2 與接地參考101之間的電壓。振盪器電源供應104產生由振 盪器103使用的電壓。振盪器103提供—脈衝列，其係夾在 接地電位1 0 1與由電源供應1 04產生的電位之間。振盪器i 〇3 之輸出對泵電容器107進行充電，該泵電容器依次對輸出電 容器no進行充電，以產生輸出U1與接地ι〇1之間的輸出電 φ 壓。輸出電壓係參考接地101，並且係約等於輸入102上的 電壓加上振盪器103之脈衝之電壓的電壓。 先前技術充電泵電路的一個問題在於，橫跨輸出電容器 的電壓係參考接地。接地參考防止先前技術充電泵電路在 需要不同類型的參考時得以使用。另一個問題係輸出電壓 之數值。當輸入電壓改變時，輸出電壓之數值也增加。因 此輸出電壓發生變化。此外，自振盪器1〇3的脈衝之電壓值 係固定的，並且無法輕易地適用於輸入電壓1 〇2之不同數 值。不論輸入電壓之數值為何，無法輕易地改變自振蓋器 100286.doc 1360936 103的脈衝之電壓的固定性質。 因此，需要具有充電泵電路，其並非參考接地、可輕易 地使輸出電壓適用於輸入電愿之不同數值、以及可輕易地 改邊自充電泵振盪器的脈衝之電壓值。 【發明内容】 ,為解說之簡泳與清楚起見，圖中的元件不必按比例繪 製’不同圖式中的相同參考數字指示相同元件。此外，為 1月之簡冻起見，省略熟知步驟及元件之說明與細節。如 本文所用，電流載送電極意味著一載送通過裝置之電流的 裝置之元件，例如金氧半導體（MOS)電晶體之源極或汲極 或者雙極電晶體之射極或集極，而控制電極意味著一控制 通過裝置之電流的裝置之元件，例如M〇s電晶體之閘極或

雙極電晶體之基極。雖然「裝置」係在本文中說明為某N 通k或Pit道裝置’但是熟習此項技術者應瞭解依據本發明 也可使用互補裝置。 【實施方式】 圖2曰示意性地解說浮動充電泉電路1〇之一具體實施例，該 電路提供輸出17上的輸出電壓，其隨對電路1〇的輸入電壓 之數值而浮動。使輪出17與電壓輸入55之間的輸出電壓形 成為大於施加於電路1〇的輸入電壓之第一電壓。電路…從 輸入55與電壓迴路導線16之間的電壓來源13接收輸入電 [。電路10將輸出17與輸入55之間的輸出電壓形成為比施 加於輸入55的輸入電壓大一第一電壓值。輪出”上的輸出 電壓係參考高側電或上導軌或者輸人55之電壓。^入 100286.doc 1360936 電壓改變時，輸入55與輸出17之間的輸出電壓保持與輪入 電壓的偏移達第一電壓值，因此輸出電壓始终 · «的第一電壓值。第一„之數值係可選的二= 下更詳細地看出。 ’ 電路10包含充電泵控制器11、充電系電容器46、充電系 輸出電路12、電阻器35與回授網路36。通常耦合負載5〇以 從電路10接收輸出電壓。例如，負載5〇可以為〇形環二極體 • 電路，其從電路10接收控制電壓以便實施Ο形環功能。此類 〇形環電路之一個範例係瞭解為PIP4〇 i的半導體裝置，其可 從荷蘭Eindhoven飛利浦半導體公司購得。充電泵輸出電路 12匕各阻隔一極體41、充電二極體42與輸出電容器μ。電 路12係連接至高側電壓或上導軌或端子18中的輸入電壓。 控制器11通常接收控制器u之電壓輸入14與電壓迴路導 線34之間的輸入電壓，並因此回應地提供輸出19上的驅動 信號。電壓迴路導線34通常係連接至電路1〇之電壓迴路導 • 線16。輸出19上的驅動信號之電壓擺動具有最大數值，其 係由在控制器11之回授輸入15上接收的回授信號所建 立。回授網路36包含第一回授電阻器37與第二回授電阻器 3 8，其係串聯連接在控制器丨丨之調節器輸出2〇與電壓迴路 導線16之間。網路36還包含與電阻器37並聯連接的電容器 39。從以下可進一步看出，輸出17與輸入55之間的輸出電 壓之數值係實質上等於輸出19上的驅動信號之電壓擺動之 最大數值。 控制器11包括内部供應56、參考電壓產生器或參考25、 100286.doc 1360936 電壓限制器或電壓箝29、電塵調節器22、振盪器26、過充 電保護電路21與輸出驅動器’該驅動器包含上驅動電晶體 27與下驅動電晶體28。由虛線框以一般方式表示調節器 22、電路21與電晶體27及28。在一項具體實施例中，電壓 知29為齊納二極體，但是也可以為任何將輸入14上的電壓 限制為所需最大數值的電路。在較佳具體實施例中，電壓 箝29為三十伏特（3〇 v)齊納二極體。在此較佳具體實施例 中’形成振盪器26以振盪給定頻率，其係通常在約一百千 赫與一兆赫之間（100 KHz至1 MHz)。過充電保護電路21包 含比較器31、OR閘極33、與偏移電壓或偏移32。調節器22 包含誤差放大器23與調節器電晶體24。電壓箝29連同電阻 IS35—起控制施加於輸入14的電壓之最大數值，以便保護 控制器11。 供應56形成供應56之輸出57上的内部操作電壓。内部操 作電壓一般係用於運算放大器23、參考25、振盪器26、比 較益3 1、偏移32與閘極33。雖然基於圊式之簡潔而未加以 貝示但疋供應5 6係連接在輸入14與迴路導線3 4之間，以 從輸入14接收電壓。放大器23、參考25、振盪器％、比較 器31、偏移32與閘極33通常係連接成接收輸出57與迴路導 線34之間的調節内部操作電壓。調節器22形成内部電壓節 點30中的調節電壓。節點30上的調節電壓通常係用於產生 輸出19上的泵電壓。節點3〇中產生的調節電壓之數值取決 於在回授輸入15上接收的回授電壓之數值。在某些具體實 施例中，内部操作電壓可得自節點3〇上的電壓而非供應％。 100286.doc 1360936 纟大态23從放大器23之非反相輸入上的參考25接收參考 電塵，接收反相輸入上的回授_電虔，以及回應驅動電 •曰曰曰體24以提供節點30上的調節電壓。節點30上的調節電塵 之數值還建立輸出19上的驅動信號之電塵擺動之上或高數 . 冑° 2擇電阻11 37及38之數值以提供輪出19上的驅動信號 之所需上或高數值。輸出驅動器之電晶體取⑽以用於 反相器組態的圖騰柱形式_聯連接在節點3〇與迴路導線^ • 之間。在較佳具體實施例中，電晶體27及28分別為P通道 _ S電s曰體及N通道M〇s電曰曰日體。當致動電晶體^時，將 輸出19輕合至節點30以提供輸出19上的驅動信號之電麼擺 動之上限。此上限係指泵電壓。因此， 於節點3。上的電厂一當致動電晶體28時^ 輕合至迴路導線16以提供實質上等於迴路導線16上的電壓 值的電壓，作為驅動信號之電壓擺動之下限。 假定比較器31之輸出較低，振盪器26會產生一系列由驅 鲁動電路所接收的脈衝’該驅動電路採用振盪信號或交替脈 衝而回應式驅動輸出！ 9，以形成驅動信號。當輸出！ 9較低 丁正向偏壓二極體41，並且將端子18上的輸入電壓耦合 至即點44，以施加實質輸入電壓於電容器牝之一個板。當 輸出19較向時，將節點44驅動至大於端子18上的電壓之電 壓°亥知子反向偏壓二極體41，並驅動節點44至實質上等 於端子18上的輪入電壓加上輸出19上的泵電壓之電壓。此 正向偏壓二極體42供應自電容器46的電壓給電容器43之一 側。所獲得的橫跨電容器43之電壓實質上為泵電壓之數 100286.doc 10 1360936 值。因為電容器43係參考輸入電壓之頂部導軌或高側電 壓’所以輸出17與輸入55之間的輸出電壓之數值實質上為 泵電壓。因為與該電壓值相比，二極體41及42之電壓降較 小，所以二極體41及42之電壓降可以忽略，並且該等電壓 系才曰貫貝相等電壓以便顯示已包含二極體之電壓降。因 此，檢跨電容器43的輸出電壓為泵電壓減去二極體41及42 之電壓降。 例如^假疋選擇回授網路36以形成節點3〇上的十伏特（1〇 V)之電壓，並且電壓來源〗3為四十八伏特v)。當輸出】9 較低夺透過一極體41將實質四十八伏特（48 V)施加於節點 44及電容器46之輸出板。可以看出，節點44上的電壓為四 十八伏特（48 V)減去二極體41之電壓降。當輪出19高達十伏 特（ιον)時，驅動節點料至實質五十八伏特（π v)。可以看 Λ用~子18上的四十八伏特（48 v)加上輸出】9之十伏特 (1〇J)減去二極體41之電壓降，形成實質五十八伏特（58V)。 實貝十八伏特反向偏屋二極體41而正向偏壓二極體42， 並且透過—極體42將實質五十八伏特（58 v)施加於電容器 43之一個端子。採用由電容器46施加於節點44上的實質五 2伏特減去二極體42之電降，形成施加於電容器43的 實質五十八伏特（58V)。因為正向偏壓二極體42,所以電容 器43充電至十伏特（1()v)。可以看出實質十伏特⑽力 為十伏特減去—極體41及42之電壓降。因為電容器43係參 =高側電壓’所以輸出17上的輸出電壓為橫跨電容器例 實質十伏特（10 V)，電容器43進行充電之此週期對於㈣ 100286.doc 1360936 器26之各週期而繼續。 可以看出，輸出17遵循施加於輸入55的電壓。當施加於 輸入55的電壓改變時，立即將該變化施加於電容器43之一 . 側。因為將電容器43充電至實質上等於輸出19之高位準電 • 壓擺動的電壓’所以輸出”會立即遵循輸入55中的該變 化，而輸出17上的電壓保持為橫跨電容器43之電壓。因此， 藉由連接充電泵輸出電容器至高側電壓或上導軌或輸入55 • 上的電壓而浮動充電泵，使電路10之輸出電壓可迅速遵循 充電泵電路之輸入電壓中的任何變化。 當電路10首次得到能量或當輸入55上存在快速或迅速的 瞬態時，過充電保護電路21利於保護電路丨〇。比較器3 i比 較輸入15上的回授電壓與參考電壓加上偏移32之數值。偏 移3 2之數值形成保護數值並一般約為由參考25提供的參考 電壓之數值的百分之十（1〇%)。偏移32可以為比較器31的外 郤電壓或形成為内部偏移電壓。在任何情況下，偏移3 2之 • 電壓均為正電壓，其偏移反相輸入，以便施加相同電壓於 二個輸入會導致反相輸入接收大於非反相輸入上所接收的 電壓之電壓。在較佳具體實施例中，將偏移32設計在比較 器31之反相輸入中。熟習此項技術者熟知此類内部偏移電 壓。若輸入15上的回授電壓增加至超過參考電壓之數值達 大於偏移32之數值，則比較器3〗之輸出較高，此開啟電晶 體28並採用對電容器46及43進行充電的方式而停用控制器 11，從而保護除電晶體27及28以外的連接至輸出17之負載 免於過電壓狀況。 I00286.doc 1360936 為了提供本文說明的功能，將電阻器35之第一端子連接 至輸入55，而將電阻器35之第二端子連接至控制器u之輸 入14。將控制器11之輸入14連接至齊納二極體29之陰極， 而將二極體29之陽極連接至迴路導線34。將電晶體24之汲 極連接至輸入14，而將電晶體24之源極共同連接至節點％ 及輸出20。將電晶體24之閘極連接至放大器23之輸出。將 放大器23之非反相輸入連接至參考25之輸出，而將放大器 23之反相輸入共同連接至比較器31之非反相輸入以及輸入 15。將振盪器26之輸出連接至閘極33之第一輸入，而將閘 極33之第二輸入連接至比較器31之輸出。將閘極33之輸出 共同連接至電晶體27及28之閘極。將電晶體27之源極連接 ^節點30,而將電晶體27之汲極共同連接至輸出以及電 曰曰體28之汲極。將電晶體28之源極連接至迴路導線μ。將 比較益31之反相輸人連接至放大㈣之非反相輸入。 將回授料36之電阻器37之第一端子共同連接至電容器 而子以及控制器II之輸出2〇,而將電阻器π之第 子八同連接至電阻器38之第一端子、電容器3 $之第二 端子以及輪入15 °將二個電阻器38之第二端子連接至迴路 導線^6。將電容器46之第—端子或下板連接至輸出Η，而 一 ％子或上板連接至二極體42之陽極與二 ^41之陰極。將二極體41之陽極連接至端子18以及電容 端子或輸入板。將電容器43之第二端子或輸出 八5、接至輸出17與二極體42之陰極。 圖丁意）·生地解說形成於半導體晶粒6丨上的半導體裝置 100286.doc 1360936 60之一具體實施例之一部分之放大平面圖 成於晶粒61上。晶粒61還可包含其他電路 潔，圖3未顯示該等電路。藉由孰羽 电纷秸田熟^此項技術者所熟知的半 導體製造技術，在晶粒61上形成控制器u及裝置的。

綜觀上述’已明顯揭示新穎的裝置與方法。包括但不限 於形成充電栗電路以獲得輸出，該輸出相對於充電系電路 之輸入電壓而浮動。使充電泵電路之輸出電容器參考輸入 電壓之南側電壓或頂部導軌，使輸出電壓可相對於接地參 考或較低供應導軌而浮動，並用於未參考接地或較低供應 導執的電路。此外，使輸出電容器參考頂部導執可減小橫 跨電容器的電壓，從而允許使用較低崩潰電壓電容器，其 了減小成本^尚側參考還可減小施加於控制電路的電塵， 從而允許使用較低崩潰半導體裝置，其也可減小成本。 雖然已採用特定較佳具體實施例而說明本發明，但是很

將控制器11形 基於圖式之簡 明顯’熟習此項半導體技術者將明白許多替代具體實施例 及變化。 【圖式簡單說明】 圖1 一般解說先前技術充電泵電路之一部分； 圖2示意性地解說依據本發明之充電栗電路之一具體實 施例之一部分；以及 圖3解說併入依據本發明之圖2之充電泵電路之部分的半 導體裝置之放大平面圖。 【主要元件符號說明】 10 電路 100286.doc •14· 1360936 11 充電泵控制器 12 充電泵輸出電路 13 電壓來源 14 電壓輸入 15 回授輸入 16 電壓迴路導線 17 輸出 18 端子 19 輸出 20 輸出 21 過充電保護電路 22 電壓調節器 23 誤差放大器 24 調節器電晶體 25 電壓參考 26 振盪器 27 上驅動電晶體 28 下驅動電晶體 29 電壓箝/二極體 30 節點 31 比較器 32 偏移 33 閘極 34 電壓迴路導線 100286.doc 15· 1360936 35 電阻器 36 回授網路 37 第一回授電阻器 38 第二回授電阻器 39 電容器 41 阻隔二極體 42 充電二極體 43 電容器 44 節點 46 電容器 50 負載 55 輸入 56 内部供應 57 輸出 60 半導體裝置 61 半導體晶粒 100 先前技術充電泵電路 101 接地 102 電壓輸入 103 振盪器 104 振盡器電源供應 107 泵電容器 110 輸出電容器 111 輸出 100286.doc -16-

Claims (1)

1360936 第094109583號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(100年4月） 十、申請專利範圍： ’其包括： 一第一電壓供應器之一高 其中該第一電壓供應器具 1. 一種形成一浮動充電泵之方法 組態一充電泵控制器以參考 側電壓而充電一輸出電容器， 有一第一值； 組態該充電泵控制器以自一第— „ 弟一電壓供應器接收用於 操作該充電果控制器之—操作雷 / 铞作電M,該第二電壓供應器 係在該充電果控制器之外部且該第二電壓供應器具有一 第，值’其中該充電泵控制器係組態以自該第二電麼供 應器獲得-泵電壓以充電該輸出電容器及其中該第二電 壓供應器之該第二值係獨立於該第一電壓供應器。 2. 3. 如請求項！之方法’其中組態該充電泵控制器以參考該第 -電壓供應器之該高側電壓而充電該輸出電容器之步驟 包含耦合該輸出電容器以充電至一電壓，該電壓實質上 等於該充電泵控制器之該泵電壓。 如4求項1之方法，其進一步包含耦合一泵電容器以充電 至實質上等於該第一電壓供應器之該第一值之一電壓及 沿著該泵電容器耦合該泵電壓至該浮動充電泵之該輸出 電容器。 4. 如吻求項1之方法，其進一步包含組態該充電泵控制器以 產生具有一等於該泵電壓之電壓擺動之一脈衝列。 5. 如請求項4之方法，其中組態該充電泵控制器以產生該脈 衝列之步驟包含耦合該充電泵控制器以自該第二電壓供 應器產生一調節電壓及耦合該調節電壓至該充電泵控制 100286-1000414.doc 器之—輪出以產生該泵電壓。 6. 如清求項1之方法’其中組態該充電泵控制器以自該第二 電壓供應器接收用於操作該充電果控制器之該操作電: 步驟包3組態該充電泵控制器以自該第二電壓供應器 形成-調節電壓並形成該泵電壓以#質上等於該調 壓。 屯 7. 如清求項！之方法，其中組態該充電果控制器以自該第二 電壓供應器接收用於操作該充電泵控制器之該操作電 壓，該第二電壓供應器係在該充電泵控制器之外部之步 驟包含組態該充電泵控制器以形成一驅動信號，該驅動 仏號在該驅動信號之一第一部份期間控制切換該輸出電 容器進入一充電組態，在該驅動信號之一第二部份期間 控制切換該輸出電容器進入一非充電組態且也耦合來自 於該驅動信號之該泵電壓至該輸出電容器。 8·如請求項1之方法，其中組態該充電泵控制器以自該第二 電壓供應器接收用於操作該充電泵控制器之該操作電 壓，該第二電壓供應器係在該充電泵控制器之外部之步 驟匕3組態β亥充電泵控制器以形成一驅動信號，該驅動 信號在該驅動信號之一第一部份期間控制切換該輸出電 容器進入一充電組態及在該驅動信號之一第二部份期間 控制切換該輸出電容器進入一非充電組態，其中該驅動 信號具有一值’其實質上等於該驅動信號之該第一部份 期間之該泵電壓且該驅動信號之該值在該第一時段期間 控制耦合該驅動信號之該值至該輸出電容器。 100286-1000414.doc I〇H I1修⑻正替換頁 9· 一種浮動充電泵電路，其包括： 第輸入，其係麵合以接收一第一輸入電麼，該第 一輸入電壓具有一電壓供應側及一電壓迴路側； 一輸出電容器，其係參考該第一供應電壓之該電壓供 應側； 第一供應電壓，其係不同於該第一供應電壓；及 充電泵控制器，其耦合以接收該第二供應電壓，其 中該第二供應電壓在該充電泵控制器之外部，該充電泵 控制器係組態以使用該第二供應電壓以產生該充電泵控 制盗之一操作供應及經組態以形成一泵電壓，其係自該 操作供應獲得。 iO·如π求項9之浮動充電泵電路，其中參考該第一供應電壓 之該電壓供應側之該輸出電容器包含該輸出電容器之一 第一端子及一第二端子，該第一端子係參考該第一供應 電壓之該電壓供應側，該第二端子係耦合以自該充電泵 控制器接收該泵電壓。 11.如請求項9之浮動充電泵電路，其進一步包含一充電泵電 容器，其係耦合以自該充電泵控.制器接收該泵電壓及自 該充電泵控制器沿著該泵電容器耦合該泵電壓至該輸出 電容器，該充電泵電容器具有一第一端子及一第二端子。 12·如請求項11之浮動充電泵電路，其進一步包含一第—二 極體’其耦合至該充電泵電容器之該第一端子及耗合以 接收該第一供應電壓。 13.如請求項12之浮動充電泵電路，其中該輸出電容器具有 100286-1000414.doc 136 月曰#(更}正替換頁 一第一端子及一第二端子，該第一端子耦合以接收該第 一供應電.壓’該第二端子耦合至一第二二極體，該第二 二極體耦合至該充電泵電容器之該第一端子。 14. 如請求項9之浮動充電泵電路，其中該充電泵控制器係耦 合以接收該第二供應電壓並回應地形成一脈衝列，其具 有該浮動充電泵電路之該泵電壓。 15. 如請求項14之浮動充電泵電路，其中當該浮動充電泵電 路之該泵電壓超過一保護數值時，該充電泵控制器係操 作地麵合以停止充電該輸出電容器。 16. 如請求項9之浮動充電泵電路，其中該充電泵控制器係組 態以使用該操作供應以形成一振盪信號，其控制交替耦 合一充電組態及一非充電組態中之該輸出電容器。 17· —種形成一浮動充電泵之方法，其包括： 形成一第一輸人，其，可操作以接收代表一充電泵控制 器之一内部調節電壓之一回授信號； 耦合一電壓調節器以形成該内部調節電壓包含耦合該 電壓調節器以接收一參考電壓及耦合一放大器以接收該 參考電壓及該回授信號及回應地驅動一調節電晶體以產 生該内部調節電壓；及 耦^ n玄充電泵控制器以當該内部調節電壓超過該充電 泵控制盗之一保護數值時停止產生一充電泵信號。 18·如請求項17之方法，進一步包含輕合—比較器以接收該 參考«及當該回授信號超過該參考電壓—第__數值時 停止產生該充電泵信號。 100286-1000414.doc -4-