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TW201603461A - 電荷泵裝置 - Google Patents

電荷泵裝置 Download PDF

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TW201603461A
TW201603461A TW104100959A TW104100959A TW201603461A TW 201603461 A TW201603461 A TW 201603461A TW 104100959 A TW104100959 A TW 104100959A TW 104100959 A TW104100959 A TW 104100959A TW 201603461 A TW201603461 A TW 201603461A
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何信良
張武昌
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力旺電子股份有限公司
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Abstract

本發明提供電荷泵裝置。電荷泵裝置包括：時脈信號產生器、時脈凍結電路、電荷泵電路和回授電路。時脈信號產生器產生時脈信號。時脈凍結電路直接接收時脈信號和致能信號。時脈凍結電路根據致能信號以決定是否通過或閂鎖時脈信號的電壓準位以產生控制時脈信號。電荷泵電路直接接收控制時脈信號藉此對輸入電壓執行電荷泵的操作，以產生泵電壓。

Description

電荷泵裝置
本發明是有關於一種電荷泵裝置，且特別是有關於一種可在降低其所產生的泵電壓上的紋波電壓(ripple voltage)的電荷泵裝置。
電荷泵(charge pump)電路基於參考電壓用來提供更高電壓準位的泵電壓。泵電壓的電壓準位可以是參考電壓的電壓準位的好幾倍。電荷泵電路可以應用在多種電子裝置中，例如非揮發性記憶體、顯示驅動器等等。
在習知的領域中，當泵電壓的電壓準位達到目標值時，如果時脈信號不停止，紋波電壓將會被載在泵電壓上。為了減少紋波電壓的危害，電荷泵電路常需要較大尺寸的去耦電容。也就是說，增加電荷泵電路的晶片尺寸會對應被增加。
在一些習知領域中，當泵電壓的電壓準位達到目標值時，可以透過停止時脈源所產生的時脈信號來停止電荷泵的動作。然而，在泵電壓達到目標值的時間點和時脈信號被停止的時 間點之間有時間的延遲。亦即，在時脈信號上的一些非必要的脈衝會被傳送到電荷泵電路使得泵電壓上的紋波電壓因此相應地增加。
本發明涉及一種電荷泵裝置，可有效地減少在泵電壓上由電荷泵裝置產生的紋波電壓。
本發明提供的電荷泵裝置包括：時脈信號產生器、時脈凍結電路、電荷泵電路和回授電路。時脈信號產生器產生時脈信號。時脈凍結電路耦接到時脈信號產生器，並直接接收時脈信號和致能信號。時脈凍結電路根據致能信號以決定是否保持時脈信號的電壓準位以產生控制時脈信號。電荷泵電路耦接到時脈凍結電路。電荷泵電路直接接收控制時脈信號以便對輸入電壓執行電荷泵的操作，以產生泵電壓。
依據本發明的實施例，當泵電壓低於預先設定的目標電壓時，回授電路產生具有第一邏輯準位的致能信號，以及當泵電壓高於預先設定的目標電壓時，回授電路產生具有第二邏輯準位的致能信號。其中，第一邏輯準位和第二邏輯準位是互補的。
依據本發明的實施例，其中，當致能信號處於第一邏輯準位時，時脈凍結電路通過(pass)時脈信號的電壓準位以產生控制時脈信號。
依據本發明的實施例，其中時脈凍結電路在致能信號從 第一邏輯準位轉態到第二邏輯準位時間點則藉由閂鎖住時脈信號來產生控制時脈信號。
依據本發明的實施例，其中電荷泵電路包括至少一電容器，並且控制時脈信號直接連接到該至少一電容器。
根據上述說明，本發明提供了可及時停止時脈信號的時脈凍結電路。亦即，當泵電壓等於目標值時，在時脈信號上不會有額外的脈衝被傳送到電荷泵電路。因此，電荷泵裝置在泵電壓上的紋波電壓可以減少，使得電荷泵裝置因紋波電壓所造成的過度跨壓的問題可以得到改善。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100‧‧‧電荷泵裝置
110‧‧‧時脈信號產生器
120‧‧‧時脈凍結電路
121、310‧‧‧閂鎖電路
130‧‧‧電荷泵電路
131‧‧‧開關電路
140‧‧‧回授電路
441‧‧‧電壓調節器
442‧‧‧比較器
C1~CM‧‧‧電容器
CLK‧‧‧時脈信號
CCLK、CCLK1~CCLKM‧‧‧控制時脈信號
COMPV‧‧‧比較電壓
EN‧‧‧致能信號
ENB‧‧‧反相致能信號
IN‧‧‧輸入端
INV1、INV2‧‧‧反相器
IV1~IVN‧‧‧反相器
M1~M4‧‧‧電晶體
NAND1‧‧‧反及閘
OUT‧‧‧輸出端
SW1‧‧‧開關
TG1‧‧‧傳輸閘
TINV‧‧‧三態反相器
VDD2‧‧‧電壓源
VOUT‧‧‧泵電壓
VREF‧‧‧預先設定的目標電壓
圖1為根據本發明一實施例所繪示電荷泵裝置。
圖2為根據本發明一實施例繪示時脈凍結電路的方塊圖。
圖3A為根據本發明一實施例所繪示閂鎖電路的電路圖。
圖3B為在圖3A中所繪示三態反相器TINV的電路圖。
圖4為根據本發明一實施例所繪示回授電路的方塊圖。
圖5為根據本發明一實施例所繪示電荷泵電路的方塊圖。
圖6為根據本發明一實施例所繪示時脈產生器的方塊圖。
參照圖1，圖1為根據本發明一實施例所繪示電荷泵裝置。電荷泵裝置100包括時脈信號產生器110、時脈凍結電路120、電荷泵電路130和回授電路140。時脈信號產生器110用於產生時脈信號CLK，而時脈信號CLK提供給時脈凍結電路120。時脈凍結電路120接收時脈信號CLK和致能信號EN，並且時脈凍結電路120可根據致能信號EN決定是否凍結時脈信號CLK來產生控制時脈信號CCLK。
致能信號EN由回授電路140產生。回授電路140耦接在電荷泵電路130、時脈凍結電路120和時脈信號產生器110之間。回授電路140比較由電荷泵電路130產生的調節過的泵電壓VOUT與預先設定的目標電壓，並藉以產生致能信號EN。其中，泵電壓VOUT是基於控制時脈信號CCLK及電荷泵電路130透過電荷泵操作而產生。也就是說，當泵電壓VOUT的電壓準位比預先設定的目標電壓低時，回授電路140可以產生具有第一邏輯準位(例如邏輯準位“1”)的致能信號EN。相反地，當泵電壓VOUT的電壓準位不低於預先設定的目標電壓時，回授電路140可以產生具有第二邏輯準位(例如邏輯準位“0”)的致能信號EN。第一和第二邏輯準位是互補的。當致能信號EN的邏輯準位為第二邏輯準位時，電荷泵電路130的電荷泵操作已經完成並且不需要控制時脈信號CCLK提供更多的脈衝。
當時脈凍結電路120接收到第二邏輯準位的致能信號EN 時，時脈凍結電路120會保持時脈信號CLK的電壓準位在一固定的準位以凍結時脈信號CLK來產生控制時脈信號CCLK。具體而言，當致能信號EN的邏輯準位從第一邏輯準位轉態至第二邏輯準位時，時脈凍結電路120可立即保持時脈信號CLK的電壓準位在一固定的準位上。也就是說，當致能信號EN的邏輯準位從第一邏輯準位轉態到第二邏輯準位的時間點T1，時脈凍結電路120將時脈信號CLK的電壓準位保持在時間點T1的電壓準位以產生控制時脈信號CCLK。因此，當泵電壓VOUT高於預先設定的目標電壓時，控制時脈信號CCLK不會提供不必要的脈衝輸送到電荷泵電路130。
另一方面，時脈凍結電路120可根據致能信號EN來鎖住時脈信號CLK以保持時脈信號CLK的電壓準位。
此處請注意，當致能信號EN的邏輯準位是在第一邏輯準位時，時脈凍結電路120會控制使得時脈信號CLK跟控制時脈信號CCLK有相同邏輯準位，而電荷泵電路130則基於持續振盪的時脈信號CLK來正常地進行電荷泵運作的操作動作。
此外，控制時脈信號CCLK是直接連接到電荷泵電路130。當致能信號EN轉態到第二邏輯準位時，控制時脈信號CCLK會立即保持在一固定的電壓準位上，並且不會有額外的脈衝被輸送到電荷泵電路130。
參照圖2，圖2為根據本發明一實施例繪示時脈凍結電路的方塊圖。時脈凍結電路120包括閂鎖電路121。閂鎖電路121 的輸入端接收時脈信號CLK，和閂鎖電路121的輸出端輸出控制時脈信號CCLK。此外，閂鎖電路121根據致能信號EN決定是否保持時脈信號CLK的電壓準位，並藉以產生控制時脈信號CCLK。
在某些實施例中，時脈信號CLK可包含多個子時脈信號，例如第一、第二、第三和第四子時脈信號，其中，第一、第二、第三和第四子時脈信號的相位是不同的。相對應地，閂鎖電路121用於閂鎖四個時脈信號就會包含四個子閂鎖器及相對的第一、第二、第三和第四子時脈信號，並分別產生四個子控制時脈信號。
參照圖3A，圖3A為根據本發明一實施例所繪示閂鎖電路的電路圖。閂鎖電路310包括反相器INV1及INV2、開關SW1、以及三態反相器TINV。反相器INV1接收時脈信號CLK並產生反相時脈信號。開關SW1接收時脈信號的反相信號，並根據致能信號EN決定是否傳輸反相時脈信號到反相器INV2。如圖3A所示，開關SW1是一個傳輸閘TG1。傳輸閘TG1由致能信號EN和反相致能信號ENB控制，並且當致能信號EN為邏輯準位為1時，傳輸閘TG1開啟以傳輸時脈信號的反相信號給反相器INV2。相反地，當致能信號EN為邏輯準位為0時，傳輸閘TG1被斷開，並且，時脈信號的反相信號不被輸送到反相器INV2。
反相器INV2的輸入端耦接到三態反相器TINV的輸出端，反相器INV2的輸出端耦接到三態反相器TINV的輸入端。此外，三態反相器TINV由致能信號EN控制。當開關SW1在時間 點T1依據致能信號EN而被斷開時，三態反相器TINV啟動，並且反相器INV2和三態反相器TINV形成閂鎖迴路用於閂鎖電壓準位，並在此時間點T1，使控制時脈信號CCLK等同時脈信號CLK。相反地，當開關SW1由致能信號EN開啟時，三態反相器TINV被切斷，時脈信號CLK通過反相器INV1和INV2以成為控制時脈信號CCLK。
此處，閂鎖電路可以由其它邏輯閘(例如，反或閘(NOR)或反及(NAND)閘)來形成。閂鎖電路在圖3A中的繪示僅用以作為示範範例，並且非用來限制本申請的範圍。
請參考圖3B，圖3B為在圖3A中所繪示三態反相器TINV的電路圖。三態反相器TINV包括電晶體M1-M4。電晶體M1和M2是P型電晶體，而電晶體M1-M2串聯耦接在電壓源VDD2和三態反相器TINV的輸出端OUT之間。電晶體M3和M4是N型電晶體，電晶體M3-M4串聯耦接在輸出端OUT和參考接地GND之間。電晶體M1的閘極端接收致能信號EN，電晶體M4的閘極接收反相致能信號ENB，電晶體M2-M3的閘極耦接到三態反相器TINV的輸入端IN。當電晶體M1和M4分別根據致能信號EN和反相致能信號ENB關閉時，三態反相器TINV的輸出端OUT在高阻抗狀態。相反地，當電晶體M1和M4分別根據致能信號EN和反相致能信號ENB開啟時，輸出端OUT和輸入端IN的邏輯準位是互補的。
參照圖4，圖4為根據本發明一實施例所繪示回授電路的 方塊圖。回授電路140包括電壓調節器441和比較器442。電壓調節器441接收泵電壓VOUT，並且透過調節泵電壓VOUT來產生比較電壓COMPV。比較器442接收比較電壓COMPV和預先設定的目標電壓VREF，並且藉由比較比較電壓COMPV和預先設定的目標電壓VREF產生致能信號EN。
參照圖5，圖5為根據本發明一實施例所繪示電荷泵電路的方塊圖。電荷泵電路130包括開關電路131和至少一電容器C1-CM。電荷泵電路130接收電壓源VDD2和控制時脈信號CCLK1-CCLKM，並透過開關電路131依據一特定的序列提供至電容器C1-CM，藉以產生更高的泵電壓VOUT。電壓源VDD2可以是開關電路131的操作電壓。在此請注意，控制時脈信號CCLK1-CCLKM提供給電荷泵電路130為了電荷泵操作，並且控制時脈信號CCLK1-CCLKM分別直接提供給電容器C1-CM。亦即，當控制時脈信號CCLK1-CCLKM的電壓準位保持在固定電壓準位時，電荷泵操作可以快速的被停止。
參照圖6，圖6為根據本發明一實施例所繪示時脈產生器的方塊圖。時脈產生器110是環形振盪器，並包括多個反相器IV1-IVN和反及閘NAND1。反及閘NAND1的第一輸入端接收致能信號EN。反相器IV1-IVN串聯耦接在反及閘NAND1的第二輸入端和輸出端，並且串連反相器IV1-IVN的輸出端輸出時脈信號CLK。時脈信號CLK的頻率可以藉由多個反相器IV1-IVN或各反相器IV1-IVN與反及閘NAND1的閘極延遲來控制。當然，在圖6 中的環形振盪器僅僅是一個例子，並且由本領域的技術人員理解的任何其他時脈產生器均可以在本發明中應用。
致能信號EN可用於啟用或停止時脈產生器110。在本實施例中，當致能信號EN為邏輯高準位(logic high)時，時脈產生器110會啟動，並且產生時脈信號CLK。相反地，當致能信號EN為邏輯低準位(logic low)時，時脈產生110會被停止，並且停止時脈信號CLK的傳輸。
綜上所述，當泵電壓達到目標值時，本發明提供了一時脈凍結電路以保持時脈信號的電壓準位。亦即，沒有更多額外的脈衝會被傳送到電荷泵電路，可以減小在泵電壓上的紋波電壓。過度跨壓的問題可以得到改善，而電荷泵裝置的面積也可以縮小。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧電荷泵裝置
110‧‧‧時脈信號產生器
120‧‧‧時脈凍結電路
130‧‧‧電荷泵電路
140‧‧‧回授電路
CLK‧‧‧時脈信號
CCLK‧‧‧控制時脈信號
EN‧‧‧致能信號
VOUT‧‧‧泵電壓

Claims (12)

  1. 一種電荷泵裝置，包括：一時脈信號產生器，產生一時脈信號；一時脈凍結電路，耦接到該時脈信號產生器，直接接收該時脈信號和一致能信號，並根據該致能信號以決定是否通過或閂鎖該時脈信號的電壓準位以產生一控制時脈信號；一電荷泵電路，耦接到該時脈凍結電路，直接接收該控制時脈信號以對一輸入電壓執行一電荷泵的操作，以產生一泵電壓；以及一回授電路，耦接到該電荷泵電路和該時脈凍結電路，其中該回授電路比較該泵電壓和預先設定的一目標電壓，以產生該致能信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電荷泵裝置，其中當該泵電壓低於預先設定的該目標電壓時，該回授電路產生具有一第一邏輯準位的該致能信號，以及當該泵電壓高於預先設定的該目標電壓時，該回授電路產生具有一第二邏輯準位的該致能信號，其中，該第一邏輯準位和該第二邏輯準位是互補的。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的電荷泵裝置，其中當該致能信號處於該第一邏輯準位，該時脈凍結電路讓該時脈信號的該電壓準位通過，以產生該控制時脈信號。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的電荷泵裝置，其中該時脈凍結電路從該第一邏輯準位轉態至該第二邏輯準位的致能信號的時 間點藉由閂鎖該時脈信號產生該控制時脈信號。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的電荷泵裝置，其中該時脈凍結電路包括：一閂鎖電路，接收該時脈信號和該致能信號，並根據該致能信號決定是否閂鎖該時脈信號以產生該控制時脈信號。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的電荷泵裝置，其中該閂鎖電路包括：一第一反相器，接收該時脈信號並產生一反相時脈信號；一開關，具有一第一端以接收該反相的時脈信號，並且由該致能信號控制以開啟或斷開；一第二反相器，具有輸入端耦接到該開關的一第二端，並且該第二反相器的輸出端產生該控制時脈信號；以及一三態反相器，具有一輸入端、一輸出端和一控制端，其中該三態反相器的該輸出端耦接到該開關的該第二端，該三態反相器的輸入端耦接到該第二反相器的該輸出端，以及該三態反相器的該控制端接收該致能信號。
  7. 如申請專利範圍第5項所述的電荷泵裝置，其中該開關是一傳輸閘，和該傳輸閘的第一端接收該反相時脈信號，該傳輸閘的該第二端耦接到該第二反相器的該輸入端並且該傳輸閘的該第一和該第二控制端分別接收該致能信號和一反相致能信號。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的電荷泵裝置，其中該回授電路包括： 一電壓調節器，接收該泵電壓並根據該泵電壓產生一比較電壓；以及一比較器，耦接到該電壓調節器和該時脈凍結電路，並且該比較器比較該比較電壓和預先設定的該目標電壓，以產生該致能信號。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的電荷泵裝置，其中該時脈信號產生器更接收該致能信號並且該時脈信號產生器根據該致能信號以決定是否產生該時脈信號。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的電荷泵裝置，其中該電荷泵電路包括至少一電容器，並且該控制時脈信號直接連接到該至少一電容器。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的電荷泵裝置，其中該時脈信號包括一第一、第二、第三和第四子時脈信號，並且該第一、第二、第三和第四子時脈信號的相位是不同的。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的電荷泵裝置，其中該時脈信號產生器是環形振盪器。
TW104100959A 2014-07-07 2015-01-12 電荷泵裝置 TWI542130B (zh)

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