TW200821814A - Voltage regulation unit with zener diode and voltage regulation device thereof - Google Patents

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• 三達編號：TW3173PA 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種利用齊納二極體（Zener Diode) 之穩壓裝置，且特別是有關於一種可節省功率損耗之利用 齊納二極體之穩壓裝置。 【先前技術】 , 請參照第1A圖，其繪示傳統之利用齊納二極體之穩 壓裝置的電路圖。致能訊號EN用以致能穩壓裝置1〇〇。時 序訊號產生早元10 2受到致能訊ί虎EN之驅動產生時序afl 號CLK，而電荷泵1〇4根據時序訊號CLK來提高輸出電壓 Vout之電壓位準驅動負載裝置11〇。 請參照第1B圖，其圖繪示乃第1A圖中齊納二極體106 的電流對電壓曲線圖。當齊納二極體106操作於崩潰區 時，具有特殊之電壓對電流特性曲線；此時無論流經齊納 ( 二極體106之電流Iz為何，齊納二極體1〇6兩端之跨壓 仍實質上等於齊納二極體106之崩潰電壓Vzl，使得輸出 電壓Vout實質上等於崩潰電壓Vzl，而達到穩壓之效果。 然，傳統之穩壓裝置100具有若干缺點。 穩壓裝置1〇〇無法於輸出電壓Vout達到預定之電壓 位準時終止電荷泵104之運作。而電荷泵1〇4係不停地運 作以提升輸出電壓Vout之電壓位準，並產生輸出電流經 由齊納二極體106導入接地位準。如此，將使得穩壓裝置 1〇〇具有耗電量車父南及功率使用率（Power Efficiency )較 6 200821814

- 三達編號：TW3173PA 低之缺點。另外，由於齊納二極體1〇β之溫度係數不為零， 使得齊納二極體106兩端之電壓會隨著溫度之變化而改 變。齊納二極體之溫度係數例如為正數。如此，穩壓袭置 100係更具有輸出電壓V〇ut會隨著溫度改變而變動之缺 點0 清參照弟1C圖，其繪示乃傳統之非利用齊納二極體 之牙€、壓裂置的電路圖。穩壓裝置1 〇係經由運算放大器Op 1 之輸出電壓Vol來致能電晶體τχ，以提升輸出電壓v〇2之 電壓位準。而穩壓裝置10更將輸出電壓v〇2迴授至運算 放大态0P1之負端，以於輸出電壓V〇2之電壓位準高於輪 出電壓VI之電壓位準時，經由運算放大器op〗非致能電 晶體Tx，並經由電流源112將輸出電壓v〇2拉低。如此， 以負迴授之方式來對輸出電壓V〇2進行穩壓。然，由於穩 壓裝置ίο係需設置運算放大器0P1來對輸出電壓v〇2進 行穩壓’如此’觀裝置1G係具有電路複雜及成本較高 之缺點。 【發明内容】 有鑑於，，本發日㈣提供—_用_ ^ ^ ^ ^ ^ 衣置其係具有耗電量較低、使 用功率杈Ί路較為簡單及成本較低之優點。 根據本發明提出-種穩壓單元，用以接收電荷豕 (Charge P_)輸出之驅動電壓，並對驅 释 穩壓單元包括：電流映射單元 延仃把 耵早兀、齊納二極體及偏壓單元。 7 200821814

三達編號：TW3173PA 電流映射單元包括電流主控端及電流從屬端。電流映射單 元用以接收驅動電壓，並根據驅動電壓於電流主控端及電 流從屬端分別產生第一電流訊號及第二電流訊號。齊納二 極體之負端耦接至電流主控端，正端接收固定電壓。齊納 二極體接收第一電流訊號，並控制驅動電壓之電壓位準實 質上等於預定電壓位準，以對驅動電壓進行穩壓。偏壓單 元用以接收第二電流訊號，並根據第二電流訊號來判斷驅 動電壓之電壓位準是否達到預定電壓位準，並根據第二電 流訊號產生控制訊號。其中，控制訊號係迴授至電荷泵， 以控制電荷泵產生驅動電壓。 根據本發明提出一種穩壓裝置，其中包括：電荷泵、 穩壓單元、偵測單元及時序訊號產生單元。電荷泵用以輸 出驅動電壓。穩壓單元包括：電流映射單元、齊納二極體 及偏壓單元。電流映射單元包括電流主控端及電流從屬 端。電流映射單元用以接收驅動電壓，並根據驅動電壓於 電流主控端及電流從屬端分別產生第一電流訊號及第二 電流訊號。齊納二極體之負端耦接至電流主控端，正端接 收固定電壓。齊納二極體接收第一電流訊號，並控制驅動 電壓之電壓位準實質上等於預定電壓位準，以對驅動電壓 進行穩壓。偏壓單元用以接收第二電流訊號，並根據第二 電流訊號來判斷驅動電壓之電壓位準是否達到預定電壓 位準，並根據第二電流訊號產生控制訊號。偵測單元用以 接收控制訊號，並根據控制訊號產生第一致能訊號。時序 訊號產生單元接收第一致能訊號，並根據第一致能訊號產 200821814

• 三達編號：TW3173PA 生時序訊號及反向時序訊號。其中，時序訊號及反向時序 訊號係輸出至電荷泵，而電荷泵根據時序訊號及反向時序 訊號產生驅動電壓。 為讓本發明之上述内容能更明顯易懂，下文特舉一較 佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下： 【實施方式】 γ 清參知弟2 A圖，其緣示依照本發明較佳實施例之利 用齊納二極體之穩壓裝置的一電路圖。穩壓裝置2〇〇包括 時序訊號產生單元202、電荷泵204、穩壓單元206及偵 測單元208。時序訊號產生單元202用以接收致能訊號 EN’ ，並據以產生時序訊號CLK’及反向時序訊號CLKB。 電荷泵204係接收時序訊號CLK’及反向時序訊號CLKB並 據以產生輸出電壓Vout’來驅動負載裝置210。 穩壓單元206包括電流映射單元206a、齊納二極體 206b及偏壓單元206c。電流映射單元206a具有電流主控 端212a及一電流從屬端212b，電流映射單元206a接收輸 出電壓Vout’ ，並將輸出電壓Vout，作為驅動電壓，以 根據驅動電壓於電流主控端212a及電流從屬端212b分別 產生電流訊號II及電流訊號12。電流訊號Π及12之電 流值係為相關。 齊納二極體206b之負端耦接至電流主控端212a，正 端接收固定電壓VB。齊納二極體206b係接收電流訊號 II，並控制輸出電壓Vout’之電壓位準實質上等於一預定 9 200821814

• 三達編號：TW3173PA 電壓位準，以對輸出電壓^扯，進行穩壓。偏壓單元2〇6C 接收電流訊號12，並根據電流訊號12來判斷輸出電壓 but之電壓位準是否達到預定電壓位準，並根據電流訊 唬12產生控制訊號sc。在本實施例中，固定電壓νβ例如 為接地電位，電流訊號Π及12之電流值係例如為相等。 偵測單元208接收控制訊號SC，並根據控制訊號SC 來侦剩輸出電壓Vout’是否達到預定之電壓位準；若是， f ，測單元208係設定致能訊號EN，為非致能位準並迴授致 此戒就EN’至時序訊號產生單元2〇2,使時序訊號產生單 疋2〇2停止產生時序訊號以!^，及反向時序訊號^〇，以 〜止電荷泵204之操作。如此，係可透過訊號迴授之方式 來終止電荷泵204操作，來達到降低耗電量及提高功率使 用效率之效果。 其中’偵測單元208更接收一系統致能訊號ENS，用 ，致能穩壓裝置2〇〇。系統致能訊號ENS係例如為電壓訊 《 。當系統致能訊號ENS為非致能位準時，將使致能訊號 EN係持續地位於非致能位準，進而使時序訊號產生單元 202及電荷泵204均持續地為非致能而無法產生輸出電壓 V〇u1:’ °當系統致能訊號ENS為致能位準時，將使得偵測 留一 早7^ 208開始偵測控制訊號sc來判斷電流訊號12之電流 值’並據以對電荷泵204進行控制。 請參照第2B圖，其繪示乃第2A圖中穩壓單元206的 洋細電路圖。在本實施例中，係以電流映射單元2〇6a為 包括兩個p型金氧半導體（Metal Oxide Semiconductor， 200821814

三達編號：TW3173PA M〇S)T及T2之電流航urrent 2係分別為電流主控端例作說 屬如212b ’而電流却 Q及言、、六 之源極電流1晶體Γ及12係分別為電曰曰曰題τ:， 源極（s〇_亦相=閑祕叫係相 〇)_)係分_接至=’以接㈣出電”咐， ΟΛΡ 要至齊納二極體206b之倉^ 及槌 Γ:如此太：晶體T1及T2具有實質上相Ϊ及偏髮單元 ，。而本實施例係以電晶體Π及Τ2上間麵1 (滿/Length)為相等為例作說明，這樣 '見比 及:;係具有實質上相等之源極電流，亦gp是*電晶趙Τ1 及12係為實質上相等。其中，電晶：電流訊^ 順向導通之二極體（DiQde)，其係溫度係^被配置為 在本實施财，預定電職準實質 ％為負數。 齊納二極體20613係用以將輸出電壓V〇Ut, 、^丨叫卜丨叫， 為至狀電壓位準。其巾vth為電晶體n固定

:?厂齊納二極體職之崩潰電壓。當輸出以 之= 錄準為：叫啼N|，亦即輸出電壓壓 立、’過低未達到預定電壓位準時，電晶體τι及T 止：而電流訊號11及12之電流值係實質上均為零。當輸 出私壓Vout之電壓位準為：驗=丨睁㈣，亦即輸出電壓 Vout之電壓位準達到預定電壓位準時，電晶體τι及丁2 均導通並操作於飽和區。此時，電流訊號η及12之電流 值係均大於零且為實質上相等。 偏壓單元206c包括電流源214及節點ΝΤ1，電流源 200821814

三達編號：TW3173PA 214係用以輸出-偏麈電流IB由節點跑導入接地位準。 節點m之電壓係由電流訊號12及偏壓電流_決定。 當輸出電壓Vout *達到預定電壓位準時，電晶體㈣ 截止，而電流訊號12之電流值係實質上為零。此時，節 點NT1之電壓位準將被偏壓電流Ιβ偏壓至接近接地位 準^當輸出電壓達到預定之電壓位準時，電晶體 T2係為導通亚操作於飽和區。此時，電流訊號i2之電流 值係大於零’以提升節點NT1之電準從接近接地位準 開始拉高至接近輸出電壓v〇ut，之電壓位準，亦即是將節 點NT1之電壓位準被偏壓至高電壓位準。而在本實施例 ^節點NT1之電壓更用以作為控制訊號沉，輸出至制 單元208。 "請參照第2C圖，其綠示乃第2A圖中偵測單元的 坪細電路圖。本實施例係以偵測單A 2〇8包括電晶體I ^及T5、缓衝器216及及閘㈤^)218之電路為例作 5兄明。電晶體T3之源極係接收高電壓位準㈣，閘極接收 接地位準’如此，使得電晶體T3恆為導通，以形成一連 接至咼電壓位準Vdd之路徑，來將節點NT2之電壓位準偏 壓至高電壓位準Vdd。電晶體T4及T5係為N型金氧半導 體電晶體’電晶體T5之雜接收接地位準，汲極係鱼電 晶體T4之源極輕接，閘極用以接收系統致能訊號脆、。電 晶體T4之汲極與電晶體T3之汲極耗接，以形成節點nt2， 閘極接收控制訊號％。電晶體Τ4及Τ5彼此串聯以形成— 接地路徑，來將節點NT2之電壓位準偏壓至接地位準，而 12 200821814

. 三達編號：TW3173PA 此接地路徑係由控制訊號sc及系統致能訊號ENS來控制。 在本實施例中，系統致能訊號ENS及致能訊號EN，之 致能位準均為高電壓位準，而非致能位準均為低電壓位 準。當系統致能訊號ENS為非致能位準時，無論控制訊號 SC之位準為何，致能訊號ΕΝ’均被控制為非致能位準。 此時穩壓裝置200係為非致能。當系統致能訊號ens為致 能位準而控制訊號SC為高電壓位準時，系統致能訊號簡s / 與控制訊號SC將分別致能電晶體T4及T5，以將節點NT2 之電壓位準拉低至接地位準，使得節點NT2之電壓位準為 低電壓位準，進而使得致能訊號EN’為非致能位準。如 此，偵測單元208係可根據處於高電壓位準之控制訊號sc 來使致能訊號EN’為非致能位準，以經由時序訊號產生單 元202來非致能電荷泵204之操作。 當系統致能訊號ENS為致能位準而控制訊號sc為低 電壓位準時，控制訊號SC關閉電晶體T4，使得節點NT2 : 之電壓位準為高電壓位準，進而使得致能訊號EN，為致能 \ ' 位準。如此，偵測單元208係可根據處於低電壓位準之控 制訊號SC來使致能訊號EN 為致成位準，以經由時序訊 號產生單元202來致能電荷泵2〇4之操作。 時序訊號產生單元202例如為一般周知之時序訊號產 生電路，如第2D圖所示。時序訊號產生單元202係接收 致能訊號EN’ ，以經由反向器將電壓位準反向之特性輸出 時序訊號CLK，及反向時序訊號CLKB。而電荷泵204亦例 如為一般通知之電荷泵電路，如第2E圖所示。電荷泵204 13 200821814

• 三達編號：TW3173PA 係接收時序訊號CLK’ 、反向時序訊號CLKB及高電壓位準 Vdd，並受到時序訊號CLK’及反向時序訊號CLKB之控制 來產生輸出電壓V〇ut’ 。其中，高電壓位準vdd係例如為 電荷泵204之輸入電壓。 負載裝置210例如為快閃記憶體（ρ 1 ash)。輸出電壓 Vout’係用以輸入至作為快閃記憶體之資料線（Bit Line) ’來提供電壓將電子注入快閃記憶體記憶單元 ， （Memory Cel 1)中電晶體之懸浮層（Fi〇ating Gate)，來進 行貧料寫入；或提供電壓來將電子由懸浮層吸出，來進行 資料清除。 本實施例雖僅以電流訊號U及12之電流大小實質上 相同為例作說明，然，電流訊號u及12亦可為其他任意 比例。本實施例雖僅以電流映射單元2〇6a為包括兩個p =金氧半導體電晶體T1&T2之電流鏡為例作說明，然， 電流映射單元2〇6a並不侷限於本實施例之結構，而更可 4 為/、他开》式之電流鏡’例如為串疊組態（Cascode)電流 鏡’或為其他可輸出兩個電流值大小相關之電流訊號之電 路=構。本實施例雖僅以將致能訊號EN，輸入時序訊號產 生器202來間接地對電荷泵2〇4進行控制，然，本實施例 之^壓裝置200亦可選擇具有致能訊號接腳之電荷泵204 裝置，亚將致能訊號腿，直接地輸入電荷泵2〇4來對電荷 泵204之操作進行控制。 本貝施例之利用齊納二極體之穩壓單元及穩壓裝置 係根據輸出電壓來產生兩個電流值相關之電流訊號。本實 14 200821814 ^達編號：TW3173PA 施例之利用齊納二極體之穩壓單亓 中一電流訊號至齊納二極體，來對輪裝置係輪入其 轉換另一電流訊號為控制訊號， 免壓進行穩壓，並 A很據抑生卜 出電壓是否已達到預定之電壓值準。:刷訊號來判斷輸 二極體之穩壓單元更迴授控制訊號至带例之利用齊納 壓達到預定之電壓位準時非致能電荷^何泵，以於輸出電 之利用齊納二極體之穩壓單元係可如此，本實施例 $置無法在輸出電壓達到預定之電統穩壓 泵’而具有耗電量高及功率使用 丰寸關閉電荷 低耗電量及提高功率使用效率之優 =低之缺點’而具有降 另外’本實施例之利用齊納二極體之 二士糸利用齊納二極體與實質上為順向偏壓二及穩壓 、:饥主控端來將輸出電麼偏麼至預定 -虽體之 通之二極體之溫度係數為負數。，準，而順向導 更可鮮齊納二極體進戶 碩向導通之二極體 出訊競位準之影塑^又戈手'數之補償’以降低溫度對輪 體之穩屬罝- 每樣一來，本實施例之利用齊納二極 二極體之置係可有效地解決傳統利用齊約 點，而電㈣受到溫度影響而偏移之缺 再/、有輪出电壓位準較為穩定之優點。 袭置係施例之利用齊納二極體之穩虔單元及穩麗 鵪，搭西納二極體、電晶體及邏輯間之簡單電路結 果。如^ 、项授電路之應用來達到穩壓與控制電荷泵之效 装置倍！1，本實施例之利用齊納二極體之穩壓單元及穩壓 /、有放地改善傳統非利用齊納二極體之穩麗裝置 200821814

• 三達編號：TW3173PA 電路複雜及成本較高之缺點，而具有電路結構簡單及成本 較為低廉之優點。 綜上所述，雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上， 然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通 常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍内，當可作各種 之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請 專利範圍所界定者為準。

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• 三達編號：TW3173PA 【圖式簡單說明】 第1A圖繪示傳統之利用齊納二極體之穩壓裝置的電 路圖。 第1B圖繪示乃第1A圖中齊納二極體106的電流對電 壓曲線圖。 第1C圖繪示乃傳統之非利用齊納二極體之穩壓裝置 的電路圖。 第2A圖繪示依照本發明較佳實施例之利用齊納二極 f 1 體之穩壓裝置的一電路圖。 第2B圖繪示乃第2A圖中穩壓單元206的詳細電路圖。 第2C圖繪示乃第2A圖中偵測單元208的詳細電路圖。 第2D圖繪示乃第2C圖中控制訊號SC、系統致能訊號 ENS及致能訊號EN 之真值表。 第2E圖繪示乃第2A圖中時序訊號產生單元202的詳 細電路圖。 1 【主要元件符號說明】 100、200 :穩壓裝置 ΕΝ、EN’ ：致能訊號 102、202 :時序訊號產生單元 CLK、CLK’ ：時序訊號 104、204 :電荷泵

Vout、Vout’ ：輸出電壓 106、206c :齊納二極體 17 200821814

三達編號：TW3173PA

Vzl :崩潰電壓 Iz :流經齊納二極體之電流 110、210 :負載裝置 206 ··穩壓單元 206a :電流映射單元 212a :電流主控端 212b :電流從屬端 II、12 :電流訊號 VB :固定電壓 206c ··偏壓單元 SC :控制訊號 208 :偵測單元 ENS :系統致能訊號 CLKB :反向時序訊號 ΤΙ、T2、T3、T4、T5 :電晶體 Vth :臨界電壓 214 ·電流源 NT1、NT2 :節點 IB :偏壓電流 Vdd :高電壓位準 216 :緩衝器 218 :及閘 18

Claims (1)

1. 200821814 三達編號：TW3173PA 十、申請專利範圍： 1· 一種穩壓單元，用以接收一電荷栗（Charge Pump) 輸出之一驅動電壓，並對該驅動電壓進行穩壓，該穩壓單 元包括： 一電流映射單元，包括：一電流主控端及一電流從屬 :¾¾ ’ ΰ亥笔&L映射早元用以接收该驅動電壓，並根據該驅動 電壓於該電流主控端及該電流從屬端分別產生一第一電 流訊號及一第二電流訊號； 一齊納一極體，該齊納二極體之負端耦接至該電流主 控端，正端接收一固定電壓，該齊納二極體接收該第一電 流訊號，並控制該驅動電壓之電壓位準實質上等於一預定 電壓位準，以對該驅動電壓進行穩壓；以及 一偏壓單元’用以接收該第二電流訊號，以根據該第 二電流訊號來判斷該驅動電壓之電壓位準是否達到該預 定電壓位準’並根據該第二電流訊號產生一控制訊號· 其中，該控制訊號迴授至該電荷泵，以控制該電U荷泵 產生該驅動電壓。 2·如申請專利範圍第1項所述之穩壓單元，其中該 控制訊號係輸入一價測單元，該偵測單元更接收一第一致 能訊號，以根據該第一致能訊號及該控制訊號產生一第二 致能訊號。 3.如申請專利範圍第2項所述之穩壓單元，i中該 第二致能訊號係輸入一時序訊號產生單元，該時序訊號產 生單元根據該第二致能訊號產生一時序訊號及—反向^ 19 200821814 - 三達編號：TW3173PA 序訊號。 4. 如申請專利範圍第3項所述之穩壓單元，其中該 電荷泵接收該時序訊號及該反向時序訊號，以根據該時序 訊號及該反向時序訊號產生該驅動電壓，該電荷泵並輸出 該驅動電壓。 5. 如申請專利範圍第1項所述之穩壓單元，其中該 電荷泵更接收一輸入電壓，並根據該輸入電壓來產生該驅 動電壓。 #"：, ^ 6. —種穩壓裝置，包括： 一電荷泵（Charge Pump)，用以輸出一驅動電壓； 一穩壓單元，包括： 一電流映射單元，包括：一電流主控端及一電流 從屬端，該電流映射單元用以接收該驅動電壓，並根據該 驅動電壓於該電流主控端及該電流從屬端分別產生一第 一電流訊號及一第二電流訊號； 一齊納二極體，該齊納二極體之負端耦接至該電 流主控端，正端接收一固定電壓，該齊納二極體接收該第 一電流訊號，並控制該驅動電壓之電壓位準實質上等於一 預定電壓位準，以對該驅動電壓進行穩壓；及 一偏壓單元，用以接收該第二電流訊號，並根據 該第二電流訊號來判斷該驅動電壓之電壓位準是否達到 該預定電壓位準，並根據該第二電流訊號產生一控制訊 號； 一偵測單元，用以接收該控制訊號，並根據該控制訊 20 200821814 - 三達編號：TW3173PA 號產生一第一致能訊號；以及 一時序訊號產生單元，接收該第一致能訊號，並根據 該第一致能訊號產生一時序訊號及一反向時序訊號； 其中，該時序訊號及該反向時序訊號係輸出至該電荷 泵，該電荷泵根據該時序訊號及該反向時序訊號產生該驅 動電壓。 7. 如申請專利範圍第6項所述之穩壓裝置，其中該 偵測單元更接收一第二致能訊號，該偵測單元係根據該第 〆 二致能訊號及該控制訊號產生該第一致能訊號。 8. 如申請專利範圍第7項所述之穩壓裝置，其中該 第二致能訊號係為一系統致能訊號，以致能該穩壓裝置進 行穩壓操作。 9. 如申請專利範圍第6項所述之穩壓裝置，其中該 電荷泵更接收一輸入電壓，該電荷栗係根據該輸入電壓、 該時序訊號及該反向時序訊號產生該驅動電壓。

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