TWI669714B - 電壓控制裝置及記憶體系統 - Google Patents

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Abstract

電壓控制裝置包含第一電荷泵、第二電荷泵、第一電源開關、第二電源開關及第三電源開關。第一電荷泵接收第一系統電壓，並根據第一系統電壓產生第一應用電壓。第一電源開關接收第一系統電壓及第一應用電壓。第二電荷泵耦接於第一電源開關之輸出端，並根據第二電荷泵之輸入端所接收之電壓產生第二應用電壓。第二電源開關接收第二應用電壓。第三電源開關的第一輸入端耦接於第一電荷泵之輸出端，而第三電源開關的第二輸入端耦接於第二電荷泵之輸出端。

Description

電壓控制裝置及記憶體系統
本發明係有關於一種電壓控制裝置，特別是一種應用在記憶體系統中具有小體積特性的電壓控制裝置。
為了滿足電子裝置對於低耗能的需求，積體電路(integrated circuits，IC)的電力規格常重新設計成能夠在低電壓的環境中操作，以減少電能損耗。舉例來說，過去電力規格為5V的積體電路現在常被減至3.3V或甚至低於2V。雖然低電壓的操作能夠減少電力損耗，然而即便是電力規格為低電壓的電路，也可能在某些應用中需要較高的電壓來完成操作。舉例來說，快閃記憶體就需要較高的電壓來進行寫入及清除操作。其中較高的電壓常會利用電荷泵電路來提供。
由於快閃記憶體在寫入及清除操作時可能會需要兩組不同的高電壓，且兩者所需的電流負載也可能有所差異，因此在先前技術中，常會利用兩組不同的電荷泵電路分別產生寫入及清除操作時所需的電壓。在此情況下，用來產生較高電壓的電荷泵會需要比較多級數的升壓電路，而用來提供較大負載電流的電荷泵則會利用尺寸較大的升壓電路元件，兩者的需求都會使得電路面積增加，而不符合現今的電路設計需求。
本發明之一實施例提供一種電壓控制裝置包含第一電荷泵、第二電荷泵、第一電源開關、第二電源開關及第三電源開關。
第一電荷泵具有輸入端及輸出端，第一電荷泵的輸入端接收第一系統電壓，第一電荷泵的輸出端輸出第一應用電壓。第一電荷泵根據第一系統電壓產生第一應用電壓。
第一電源開關(power switch)具有第一輸入端、第二輸入端及輸出端。第一電源開關的第一輸入端接收第一系統電壓，而第一電源開關的第二輸入端接收第一應用電壓。
第二電荷泵具有輸入端及輸出端，第二電荷泵的輸入端耦接於第一電源開關之輸出端，而第二電荷泵的輸出端輸出第二應用電壓。第二電荷泵根據第二電荷泵之輸入端所接收之電壓產生第二應用電壓。
第二電源開關具有輸入端及輸出端，第二電源開關的輸入端接收第二應用電壓。第三電源開關具有輸入端及輸出端，第三電源開關的第一輸入端耦接於第一電荷泵之輸出端，第三電源開關的第二輸入端耦接於第二電荷泵之輸出端。
本發明之另一實施例提供一種記憶體系統，記憶體系統包含電壓控制裝置及記憶體陣列。
電壓控制裝置包含第一電荷泵、第二電荷泵、第一電源開關、第二電源開關及第三電源開關。
第一電荷泵具有輸入端及輸出端，第一電荷泵的輸入端接收第一系統電壓，第一電荷泵的輸出端輸出第一應用電壓。第一電荷泵根據第一系統電壓產生第一應用電壓。
第一電源開關(power switch)具有第一輸入端、第二輸入端及輸出端。第一電源開關的第一輸入端接收第一系統電壓，而第一電源開關的第二輸入端接收第一應用電壓。
第二電荷泵具有輸入端及輸出端，第二電荷泵的輸入端耦接於第一電源開關之輸出端，而第二電荷泵的輸出端輸出第二應用電壓。第二電荷泵根據第二電荷泵之輸入端所接收之電壓產生第二應用電壓。
第二電源開關具有輸入端及輸出端，第二電源開關的輸入端接收第二應用電壓。第三電源開關具有輸入端及輸出端，第三電源開關的第一輸入端耦接於第一電荷泵之輸出端，第三電源開關的第二輸入端耦接於第二電荷泵之輸出端。
記憶體陣列耦接於電壓控制裝置，且包含複數個記憶體單元。記憶體陣列接收並根據電壓控制裝置所輸出的電壓對記憶體單元進行操作。
第1圖為本發明一實施例之電壓控制裝置100的示意圖。電壓控制裝置100包含第一電荷泵110、第二電荷泵120、第一電源開關(power switch)130、第二電源開關140及第三電源開關150。
第一電荷泵110具有輸入端及輸出端，第一電荷泵110的輸入端可接收第一系統電壓V1，而第一電荷泵110可根據第一系統電壓V1產生第一應用電壓VP1，並自第一電荷泵110的輸出端輸出第一應用電壓VP1。在本發明的有些實施例中，第一系統電壓V1可以是系統中電路預設所需的操作電壓，並可由固定的電壓源提供，而第一應用電壓VP1則為某些特定應用或電路所需的操作電壓。
第一電源開關130具有第一輸入端、第二輸入端及輸出端，第一電源開關130的第一輸入端可接收第一系統電壓V1，第一電源開關130的第二輸入端可接收第一應用電壓VP1。第一電源開關130可在第一輸入端及第二輸入端之間切換以自其輸出端輸出第一系統電壓V1或第一應用電壓VP1。
第二電荷泵120具有輸入端及輸出端，第二電荷泵120的輸入端耦接於第一電源開關130之輸出端，而第二電荷泵120可根據第二電荷泵120之輸入端所接收之電壓產生第二應用電壓VP2，並自第二電荷泵120的輸出端輸出第二應用電壓VP2。
第二電源開關140具有輸入端及輸出端，第二電源開關140的輸入端可接收第二應用電壓VP2，而第二電源開關140可根據電壓控制裝置100的操作模式自其輸出端輸出第二應用電壓VP2或停止輸出電壓。
第三電源開關150具有第一輸入端、第二輸出端及輸出端。第三電源開關150的第一輸入端耦接於第一電荷泵110之輸出端，第三電源開關150的第二輸入端耦接於第二電荷泵120之輸出端。第三電源開關150可在第一輸入端及第二輸入端之間切換以自其輸出端輸出第一電荷泵110及/或第二電荷泵120所輸出的電壓。
透過第一電源開關130、第二電源開關140及第三電源開關150，電壓控制裝置100就能夠更加彈性地利用第一電荷泵110及第二電荷泵120來輸出所需的電壓以符合應用的需求。
舉例來說，當電壓控制裝置100操作在第一模式以輸出較高的第二應用電壓VP2時，第一電源開關130的輸出端可輸出第一電荷泵110所產生的第一應用電壓VP1，此時第二電荷泵120就會接收到第一應用電壓VP1，並可根據第一應用電壓VP1來產生第二應用電壓VP2，而第二電源開關140的輸出端則可輸出第二應用電壓VP2以供後續應用所需。在有些實施例中，第一應用電壓VP1可高於第一系統電壓V1，而第二應用電壓VP2可高於第一應用電壓VP1，舉例來說，第一系統電壓V1可例如為2.5V，第一應用電壓VP1可例如為8V，而第二應用電壓VP2可例如為15V。
也就是說，第一電荷泵110可以提升第一系統電壓V1以產生第一應用電壓VP1，而第二電荷泵120則可接著提升第一應用電壓VP1以產生第二應用電壓VP2。如此一來，第二電荷泵120就無需直接從第一系統電壓V1升壓產生第二應用電壓VP2，因此得以減少第二電荷泵120內部所需的升壓級數，也可以減少所需的電路面積。
此外，當電壓控制裝置100操作在第二模式以輸出所需負載電流較大的應用電壓時，第一電源開關130的輸出端可輸出第一系統電壓V1。在此情況下，第一電荷泵110及第二電荷泵120都會根據第一系統電壓V1來升壓，並各自產生第一應用電壓VP1及第二應用電壓VP2。在此實施例中，第一應用電壓VP1實質上可相等於第二應用電壓VP2，而第一應用電壓VP1可高於第一系統電壓V1。舉例來說，第一系統電壓V1可例如為2.5V，第一應用電壓VP1及第二應用電壓VP2可例如為8V。在本發明的部分實施例中，第一電荷泵110及第二電荷泵120中可包含電壓比較器，電壓比較器可以將第一電荷泵110及第二電荷泵120的輸出電壓與預設的參考電壓相比較，而只有在第一電荷泵110及第二電荷泵120的輸出電壓低於參考電壓時，才啟動內部的升壓機制進行升壓。如此一來，藉由調整參考電壓的電壓值，就能夠將第一應用電壓VP1及第二應用電壓VP2調整到所需的電壓值。
在此情況下，第三電源開關150可導通第三電源開關150之第一輸入端至第三電源開關150之輸出端之間的電流路徑以輸出第一應用電壓VP1，並同時導通第三電源開關150之第二輸入端至第三電源開關150之輸出端之間的電流路徑以輸出第二應用電壓VP2。如此一來，第一電荷泵110及第二電荷泵120就可以共同提供後續應用所需的應用電壓，因此可以減少單一電荷泵所需承擔的電流負載，使得第一電荷泵110及第二電荷泵120能夠選擇尺寸較小的電路元件來實作以減少電路面積。
此外，在本發明的有些實施例中，第一電荷泵110及第二電荷泵120所支援的電流負載也可不同，舉例來說，第一電荷泵110所支援的電流負載可以大於第二電荷泵120所支援的電流負載。如此一來，在第一模式下，第二電荷泵120就能夠更加穩定地利用第一應用電壓VP1來進行升壓，而在第二模式下，第一電荷泵110則能夠提供大部分的電流負載，使得第一電荷泵110及第二電荷泵120在不同模式下能夠互相配合，讓電路設計更具彈性 。
由於電壓控制裝置100可以在不同的模式下，彈性地利用第一電荷泵110及第二電荷泵120產生所需的第一應用電壓VP1及第二應用電壓VP2，因此可以提升電壓控制裝置100的電路使用效率，並減少整體所需的電路面積。
在本發明的部分實施例中，電壓控制裝置100可以應用在記憶體系統中，並用以提供記憶體單元之寫入操作及清除操作所需的電壓。以利用福勒-諾德漢穿隧效應(Fowler-Nordheim tunneling，F-N tunneling)來實作清除、以及以利用熱載子注入(Channel Hot Electron Injection，CHE Injection)來實作寫入的記憶體單元為例，在進行寫入操作時，記憶體單元會需要較大電流的高電壓，例如為8V的電壓，此時電壓控制裝置100便可操作在第二模式。而在進行清除操作時，記憶體單元則會需要較寫入操作時更高的電壓，例如為15V的電壓，此時電壓控制裝置便可操作在第一模式。
第2圖為本發明一實施例之記憶體系統20的示意圖。記憶體系統20包含電壓控制裝置200及記憶體陣列22。電壓控制裝置200與電壓控制裝置100具有相似的結構並可根據相似的原理操作。記憶體陣列22耦接於電壓控制裝置200，並可包含複數個記憶體單元22A。
當記憶體系統20在執行清除操作時，電壓控制裝置200可以進入第一模式。此時第一電源開關230的輸出端可輸出第一電荷泵210所產生的第一應用電壓VP1，因此第二電荷泵220可以根據第一應用電壓VP1進行升壓以產生第二應用電壓VP2，而第二電源開關240的輸出端則可輸出第二應用電壓VP2。在本發明的部分實施例中，第二應用電壓VP2可高於第一應用電壓VP1，而第一應用電壓VP1可高於第一系統電壓V1。如此一來，記憶體陣列22便可接收第二應用電壓VP2作為清除電壓，並對其中的至少一個記憶體單元22A進行清除操作。
當記憶體系統20在執行寫入操作時，電壓控制裝置200可以進入第二模式。此時第一電源開關240之輸出端可輸出第一系統電壓V1，而第一電荷泵210及第二電荷泵220可同樣根據第一系統電壓V1產生實質上相等的第一應用電壓VP1及第二應用電壓VP2。此外，第三電源開關250則可同時輸出第一應用電壓VP1及第二應用電壓VP2以因應寫入操作時所需之較大的電流負載。在此情況下，記憶體陣列22可接收第一應用電壓VP1及第二應用電壓VP2作為寫入電壓，並對其中的至少一記憶體單元進行寫入操作。
此外，在本發明的部分實施例中，在對記憶體陣列22中的記憶體單元進行一般的選擇或讀取操作時，由於外部的輸入邏輯電壓V ctrl1可能是系統中較低的操作電壓，例如介於1.2V至2V。在此情況下，為了能夠順利驅動記憶體單元22A中的電晶體或其他電路元件，記憶體系統20還可包含電位偏移(level shift)驅動器24。電位偏移驅動器24可耦接於電壓控制裝置200及記憶體陣列22，並且可以偏移輸入邏輯電壓V ctrl1的電位以產生用以控制記憶體陣列22的驅動控制電壓V ctrl2。
一般而言，電位偏移驅動器24可以根據輸入邏輯電壓V ctrl1的電位高低輸出對應的驅動控制電壓V ctrl2，使得驅動控制電壓V ctrl2的高電位能夠例如與第一系統電壓V1相近，以利驅動記憶體陣列22中的記憶體單元。
然而，不同的記憶體系統可能會操作在不同的操作環境，且可能具有相異的元件參數偏移，因此各個系統中的固定電壓源所產生的第一系統電壓V1也可能會有所差異。舉例來說，在不同的記憶體系統中，第一系統電壓V1可能會介於最小變異值2.5V至最大變異值5.7V之間。在輸入邏輯電壓V ctrl1的高電位為1.2至1.98V的情況下，如果電位偏移驅動器24是直接將輸入邏輯電壓V ctrl1偏移至接近第一系統電壓V1的電位，此時電位偏移驅動器24中的上拉電晶體及下拉電晶體就可能處在不平衡的偏壓下。舉例來說，當第一系統電壓V1處於最大變異值，例如5.7V，而輸入邏輯電壓V ctrl1由低電位0V變為高電位為1.2V時，電位偏移驅動器24中的上拉電晶體及下拉電晶體就會在不平衡的偏壓下同時導通，導致電位偏移驅動器24的效率不佳。在此情況下，電位偏移驅動器24就可能需要根據實際的操作狀況，選擇適當尺寸的上拉電晶體及下拉電晶體來維持電路的功能。
為解決此一問題，電壓控制裝置200還可包含第四電源開關260。第四電源開關260具有第一輸入端、第二輸入端及輸出端。第四電源開關260的第一輸入端可接收第一系統電壓V1，第四電源開關260的第二輸入端可耦接於第一電荷泵210之輸出端，而第四電源開關260的輸出端可耦接於電位偏移驅動器24。
當記憶體系統20在執行讀取操作時，電壓控制裝置200可進入第三模式，此時，第四電源開關260之輸出端可輸出第一電荷泵210所產生的第一應用電壓VP1，而電位偏移驅動器24便可根據第一應用電壓VP1來偏移輸入邏輯電壓V ctrl1。在此情況下，第一應用電壓VP1可設定成大於第一系統電壓V1之最小變異值，例如2.5V，且小於第一系統電壓V1之最大變異值，例如5.7V。也就是說，第一應用電壓VP1可以設定為第一系統電壓V1之最小變異值及第一系統電壓V1之最大變異值之間的電壓值，例如但不限於2.5V至5.7V之間的3.5V。
如此一來，電位偏移驅動器24便可接收第一應用電壓VP1以偏移輸入邏輯電壓V ctrl1之電位而產生驅動控制電壓V ctrl2，使得內部的上拉電晶體及下拉電晶體能夠處在相對平衡的偏壓狀態下，進而提高變換電位的速度，並減少電位偏移驅動器24的面積。也就是說，透過第一電荷泵210及第四電源開關260，電位偏移驅動器24就可以接收到固定的第一應用電壓VP1，而不會因為第一系統電壓V1在不同系統中具有不同的電壓值而造成效率不佳的問題，也使得電位偏移驅動器24能夠利用尺寸較小的電晶體來實作，減少整體所需的電路面積。
此外，當電壓控制裝置200在閒置(standby)時，第一電荷泵210可能會停止產生第一應用電壓VP1，此時為了避免輸入記憶體陣列22處於浮接(floating)狀態，第四電源開關260可改以輸出第一系統電壓V1至電位偏移驅動器24。再者，當電壓控制裝置200處於第一模式並對記憶體單元22A進行清除操作，或處於第二模式並對記憶體單元22A進行寫入操作時，第一電荷泵210所產生的第一應用電壓VP1會以提供清除或寫入時的高壓為主，在此情況下，第一應用電壓VP1可能會大於電位偏移驅動器24所需的偏壓，因此第四電源開關260可改以輸出第一系統電壓V1至電位偏移驅動器24。簡言之，電壓控制裝置200在閒置、進行清除操作、或進行寫入操作時，第四電源開關260皆會輸出第一系統電壓V1至電位偏移驅動器24。
綜上所述，本發明之實施例所提供的電壓控制裝置及記憶體系統可以更有效率地利用內部的電荷泵電路來產生所需的應用電壓，因此能夠減少電荷泵電路的電路面積。此外，當應用在記憶體系統時，電壓控制裝置還可以產生合適的操作電壓，使得電位偏移驅動器能夠更有效率地偏移邏輯控制訊號的電壓準位，同時也可縮減系統所需的電路面積。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100、200‧‧‧電壓控制裝置
110、210‧‧‧第一電荷泵
120、220‧‧‧第二電荷泵
130、230‧‧‧第一電源開關
140、240‧‧‧第二電源開關
150、250‧‧‧第三電源開關
260‧‧‧第四電源開關
V1‧‧‧第一系統電壓
VP1‧‧‧第一應用電壓
VP2‧‧‧第二應用電壓
20‧‧‧記憶體系統
Vctrl1‧‧‧輸入邏輯電壓
Vctrl2‧‧‧驅動控制電壓
22‧‧‧記憶體陣列
22A‧‧‧記憶體單元
24‧‧‧電位偏移驅動器
第1圖為本發明一實施例之電壓控制裝置的示意圖。 第2圖為本發明一實施例之記憶體系統的示意圖。

Claims (15)

  1. 一種電壓控制裝置，包含： 一第一電荷泵，具有一輸入端用以接收一第一系統電壓、及一輸出端用以輸出一第一應用電壓，該第一電荷泵用以根據該第一系統電壓產生該第一應用電壓； 一第一電源開關(power switch)，具有一第一輸入端用以接收該第一系統電壓、一第二輸入端用以接收該第一應用電壓、及一輸出端； 一第二電荷泵，具有一輸入端耦接於該第一電源開關之該輸出端、及一輸出端用以輸出一第二應用電壓，該第二電荷泵用以根據該第二電荷泵之該輸入端所接收之一電壓產生該第二應用電壓； 一第二電源開關，具有一輸入端用以接收該第二應用電壓、及一輸出端；及 一第三電源開關，具有一第一輸入端耦接於該第一電荷泵之該輸出端、一第二輸入端耦接於該第二電荷泵之該輸出端、及一輸出端。
  2. 如請求項1所述之電壓控制裝置，其中當該電壓控制裝置在一第一模式時： 該第一電源開關之該輸出端輸出該第一應用電壓； 該第二電源開關之該輸出端輸出該第二應用電壓；及 該第二應用電壓高於該第一應用電壓，且該第一應用電壓高於該第一系統電壓。
  3. 如請求項2所述之電壓控制裝置，其中該第一模式係用以提供一記憶體單元執行一清除操作時所需之一清除電壓。
  4. 如請求項1所述之電壓控制裝置，其中當該電壓控制裝置在一第二模式時： 該第一電源開關之該輸出端輸出該第一系統電壓； 該第三電源開關導通該第三電源開關之該第一輸入端至該第三電源開關之該輸出端之間的一電流路徑以輸出該第一應用電壓，並同時導通該第三電源開關之該第二輸入端至該第三電源開關之該輸出端之間的一電流路徑以輸出該第二應用電壓；及 該第一應用電壓實質上相等於該第二應用電壓，且該第一應用電壓高於該第一系統電壓。
  5. 如請求項4所述之電壓控制裝置，其中該第二模式係用以提供一記憶體單元執行一寫入操作時所需之一寫入電壓。
  6. 如請求項4所述之電壓控制裝置，另包含一第四電源開關，具有一第一輸入端用以接收該第一系統電壓、一第二輸入端耦接於該第一電荷泵之該輸出端、及一輸出端。
  7. 如請求項6所述之電壓控制裝置，其中當該電壓控制裝置在一第三模式下： 該第四電源開關之該輸出端輸出該第一應用電壓； 該第一應用電壓係大於該第一系統電壓之一最小變異值且小於該第一系統電壓之一最大變異值。
  8. 如請求項7所述之電壓控制裝置，其中該第三模式係用以提供一記憶體單元執行一讀取操作時所需之一操作電壓。
  9. 如請求項1所述之電壓控制裝置，其中該第一電荷泵所支援之一電流負載大於該第二電荷泵所支援之一電流負載。
  10. 一種記憶體系統，包含： 一電壓控制裝置，包含： 一第一電荷泵，具有一輸入端用以接收一第一系統電壓、及一輸出端用以輸出一第一應用電壓，該第一電荷泵用以根據該第一系統電壓產生該第一應用電壓； 一第一電源開關(power switch)，具有一第一輸入端用以接收該第一系統電壓、一第二輸入端用以接收該第一應用電壓、及一輸出端； 一第二電荷泵，具有一輸入端耦接於該第一電源開關之該輸出端、及一輸出端用以輸出一第二應用電壓，該第二電荷泵用以根據該第二電荷泵之該輸入端所接收之一電壓產生該第二應用電壓； 一第二電源開關，具有一輸入端用以接收該第二應用電壓、及一輸出端；及 一第三電源開關，具有一第一輸入端耦接於該第一電荷泵之該輸出端、一第二輸入端耦接於該第二電荷泵之該輸出端、及一輸出端；及 一記憶體陣列，包含複數個記憶體單元，並耦接於該電壓控制裝置，該記憶體陣列接收並根據該電壓控制裝置所輸出之電壓對該些記憶體單元進行操作。
  11. 如請求項10所述之記憶體系統，其中當該記憶體系統在執行一清除操作時： 該第一電源開關之該輸出端輸出該第一應用電壓； 該第二電源開關之該輸出端輸出該第二應用電壓； 該記憶體陣列接收該第二應用電壓以對該些記憶體單元中的至少一記憶體單元進行清除操作；及 該第二應用電壓高於該第一應用電壓，且該第一應用電壓高於該第一系統電壓。
  12. 如請求項10所述之記憶體系統，其中當該記憶體系統在執行一寫入操作時： 該第一電源開關之該輸出端輸出該第一系統電壓； 該第三電源開關導通該第三電源開關之該第一輸入端至該第三電源開關之該輸出端之間的一電流路徑以輸出該第一應用電壓，並同時導通該第三電源開關之該第二輸入端至該第三電源開關之該輸出端之間的一電流路徑以輸出該第二應用電壓； 該第一應用電壓實質上相等於該第二應用電壓，且該第一應用電壓高於該第一系統電壓；及 該記憶體陣列接收該第一應用電壓及該第二應用電壓以對該些記憶體單元中的至少一記憶體單元進行寫入操作。
  13. 如請求項12所述之記憶體系統，另包含一電位偏移驅動器，耦接於該電壓控制裝置及該記憶體陣列，用以偏移一輸入邏輯電壓之電位以產生用以控制該記憶體陣列之一驅動控制電壓； 其中該電壓控制裝置另包含一第四電源開關，具有一第一輸入端用以接收該第一系統電壓，一第二輸入端耦接於該第一電荷泵之該輸出端，及一輸出端耦接於該電位偏移驅動器。
  14. 如請求項13所述之記憶體系統，其中當該記憶體系統在執行一讀取操作時： 該第四電源開關之該輸出端輸出該第一應用電壓； 該第一應用電壓係大於該第一系統電壓之一最小變異值且小於該第一系統電壓之一最大變異值；及 該電位偏移驅動器接收該第一應用電壓以偏移該輸入邏輯電壓之電位而產生該驅動控制電壓。
  15. 如請求項10所述之記憶體系統，其中該第一電荷泵所支援之一電流負載大於該第二電荷泵所支援之一電流負載。
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