TWI323405B - Voltage regulation unit with zener diode and voltage regulation device thereof - Google Patents

Description

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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100。時 序訊號產生單元102受到致能訊號EN之驅動產生時序訊 號CLK，而電荷泵104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110。 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106兩端之跨壓 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100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104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 100具有耗電量較高及功率使用率（Power Efficiency)較 6 1323405

三達編號：TW3173PA 低之缺點。另外，由於齊納二極體106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，穩壓裝置 100係更具有輸出電壓Vout會隨著溫度改變而變動之缺 請參照第1C圖，其繪示乃傳統之非利用齊納二極體 之穩壓裝置的電路圖。穩壓裝置1〇係經由運算玫大器〇P1 • 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 放大器0P1之負端，以於輸出電壓Vo2之電壓位準高於輸 出電壓VI之電壓位準時，經由運算放大器ορι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Vo2進行穩壓。然，由於穩 壓裝置10係需設置運算放大器0P1來對輸出電壓Vo2進 行穩壓’如此，穩壓裝置10係具有電路複雜及成本較高 ®之缺點。 【發明内容】 有鑑於此，本發明係提供一種利用齊納二極體（Zener Diode)之穩壓單元及穩壓裝置，其係具有耗電量較低、使 用功率較高、電路較為簡單及成本較低之優點。 根據本發明提出一種穩壓單元，用以接收電荷泵 (Charge Pump)輸出之驅動電壓，並對驅動電壓進行穩壓。 穩壓單元包括：電流映射單元、齊納二極體及偏鮮元。 7 1323405

三達編號：TW3H3PA 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。電荷泵用以輪 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 1323405

三號：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】 請參照第2A圖’其繪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 1323405

號：TW3173PA :壓位準’以對輸出電壓v〇ut，$行穩壓。偏壓單元· 收電流訊號12 ’並根據電流訊號12來判斷輸出電屋 ^>ut之電壓位準是否達到預定電壓位準，並根據電流訊 〜12產生控制訊號sc。在本實施例中，固定電壓w例如 為接地電=’電流訊號u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 來偵測輸出電壓Vout，是否達到預定之電壓位準；若是， 偵測單元係設定致能訊號，為非致能位準並迴授致 月色訊號EN至時序訊號產生單元2Q2,使時序訊號產生單 元202停止產生時序訊號CLK，及反向時序訊號ακΒ，以 終止電荷泵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 以致能穩壓裝置20(^系統致能訊號ENS係例如為電壓訊 號。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 Vout’ 。當系統致能訊號ENS為致能位準時，將使得偵測 單元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 詳細電路圖。在本實施例中，係以電流映射單元206a為 包括兩個P型金氧半導體（Metal Oxide Semiconductor，

號：TW3173PA MOS)電晶體Τ1及Τ2之電流鏡（(：urrent Μι_)為例作說 Γ山電ΒθΜΤΐ及打^分別為電流主控端212&及電流從 屬端212b’而電流訊號㈣分別為電晶體η及η =電流。電晶體T1及Τ2之閘極(Gate)係相互耦接， ;'、玉.。虹⑻亦相互輕接，以接收輸出電壓V〇ut，，汲極 (Dr in)係刀別耦接至齊納二極體2_之負端及偏壓單元 206c如此電晶體T1及T2具有實質上相等之閉極一源 極電壓。而本實施例係以電晶體Τ1及Τ2之長寬比 (Width/Length)為相等為例作說明，這樣一來，電晶體T1 及T2係具有實質上相等之源極電流，亦即是電流訊號n 及12係為實質上相等。其中，電晶體τι係例如被配置為 順向導通之二極體（DiQde)，其係溫度錢侧如為負數。 在本實施例中，預定電壓位準實質上為：_剩刺， S納一極體206b係用以將輪出電壓v〇ut,之電壓值固定 為至預定電壓位準。其中Vth為電晶㈣之臨界電壓， Vzl為齊納二極體2〇6b之崩潰電壓。當輸出電壓 之電壓位準為：驗〈㈣.㈣，亦即輸出電壓乂〇以，之電壓 位準過低未達到預定電壓位準時，電晶體71及12均為截 止’而電流訊號II及12之電流值係實質上均為零。當輸 出電壓Vout之電壓位準為：％说=叫+㈣丨，亦即輸出電壓 Vout之電壓位準達到預定電壓位準時，電晶體T1及τ2 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 1323405

三達編號：TW3173PA 214係用以輸出-偏墨電流Ιβ由節點m導入接地位準。 節點NT1之電壓係由電流訊號12及偏壓電流^所決定。 當輸出電MVout’未達到預定電M位準時，冑晶體丁2為 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IB偏壓至接近接地位 準。當輸出電壓Vout’達到預定之電壓位準時，電晶體 T2係為導通涵作於姊區。㈣，電流訊號i2之電流 值係大於零，以提升節點NT1之電壓位準從接近接地位準 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m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SC，輸出至摘測 早几2 0 8。 > Μ參照第2C圖’其纷示乃第2A圖中偵測單元2〇8的 詳、、’田電路圖。本實;^例係以彳貞測單元包括電晶體T3、 丁4及T5、緩衝器216及及閘（AndGate)218之電路為例作 說明。電晶體T3之源極係接收高電壓位準Vdd，閘極接收 接地，準’如此，使得電晶體T3恒為導通，以形成一連 接至=電壓位準Vdd之路徑，來將節點ντ2之電壓位準偏 壓至高電壓位準Vdd。電晶體Τ4及Τ5係為Ν型金氧半導 體電晶體’電晶體Τ5之源極接收接地位準，跡係與電 ，體Τ4之源極輕接’閘極用以接收系统致能訊號腿。電 =體T4之及極與電晶體T3之汲極耦接，以形成節點nt2, =極接收控制訊號％。電晶體Τ4及Τ5彼此串聯以形成-地路徑’來將節·點ΝΤ2之電壓位準偏壓至接地位準，而 1323405

—達編遗：TW3173PA 此接地路徑係由控制訊號％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ENS 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’彳貞測早元2 0 8係可根據處於向電壓位準之控制味發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。 當糸統致能訊號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係可根據處於低電塵位準之控 制訊號SC來使致能訊號EN’為致能位準，以經由時序訊 號產生單元202來致能電荷泵204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2〇2係接收 致能訊號EM’ ，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CUB。而電荷泵2〇4亦例 如為一般通知之電荷泵電路，如第2E圖所示。電荷泵2〇4 13 1323405

三達編號：TW3173 PA 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Vout’ 。其中，高電壓位準Vdd係例如為 電荷泵204之輸入電壓。 負载裝置210例如為快閃記憶體（F1 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 Cell)中電晶體之懸浮層（Floating Gate)，來進 行資料寫入；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II及12之電流大小實質上 相同為例作說明’然’電流訊號n及12亦可為其他任意 比例。本實施例雖僅以電流映射單元2〇以為包括兩個p 型金氧半導體電晶體T1及T2之電流鏡為例作說明，然， 電流映射單元206a並不侷限於本實施例之結構’而更可 籲為其他形式之電流鏡’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 路結構。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 之穩壓裝置200亦可選擇具有致能訊號接腳之電荷泵gw 裝置，並將致能訊號EN，直接地輸入電荷泵204來對電荷 泵204之操作進行控制。 本實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 1323405

三達編號：TW3173PA 施例之利用齊納二極體之穩壓單元及穩壓裝置係輸入其 中一電流訊號至齊納二極體，來對輸出電壓進行穩壓，並 '· 轉換另一電流訊號為控制訊號，以根據控制訊號來判斷輸 出電壓是否已達到預定之電壓位準。本實施例之利用齊納 二極體之穩壓單元更迴授控制訊號至電荷泵，以於輸出電 壓達到預定之電壓位準時非致能電荷泵。如此，本實施例 之利用齊納二極體之穩壓單元係可有效地改善傳統穩壓 • 裝置無法在輸出電壓達到預定之電壓位準時關閉電荷 泵，而具有耗電量高及功率使用效率低之缺點，而具有降 低耗電量及提高功率使用效率之優點。 另外，本實施例之利用齊納二極體之穩壓單元及穩壓 裝置係利用齊納二極體與實質上為順向偏壓之二極體之 電流主控端來將輸出電壓偏壓至預定電壓位準，而順向導 通之二極體之溫度係數為負數。如此，順向導通之二極體 更可對齊納二極體進行溫度係數之補償，以降低溫度對輸 ^ 出訊號位準之影響。這樣一來，本實施例之利用齊納二極 體之穩壓單元及穩壓裝置係可有效地解決傳統利用齊納 二極體之穩壓裝置輸出電壓易受到溫度影響而偏移之缺 點，而具有輸出電壓位準較為穩定之優點。 再者，本實施例之利用齊納二極體之穩壓單元及穩壓 裝置係以包括齊納二極體、電晶體及邏輯閘之簡單電路結 構，搭配負迴授電路之應用來達到穩壓與控制電荷泵之效 果。如此，本實施例之利用齊納二極體之穩壓單元及穩壓 裝置係可有效地改善傳統非利用齊納二極體之穩壓裝置 15 1323405

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。 1323405

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 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M’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。 【主要元件符號說明】 100、200 ··穩壓裝置 EN、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 1323405

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

Claims (1)

1323405 三Μϋ號：TW3173PA 十、申請專利範圍： 1. 一種穩壓單元，用以接收一電荷泵（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 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；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； 籲 其中，該控制訊號迴授至該電荷泵’以控制該電荷泵 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 控制訊號係輸入一偵測單元，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，其中該 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一反向時 二麵號：TW3173PA 序訊號。 4.如申請專利範園第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·如申請專利範圍第丨項所述之穩壓單元，其中該 電荷栗更接收一輪入電壓，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； 一穩塵單元，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 1323405 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 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，該電荷泵係根據該輸入電壓、 該時序訊號及該反向時序訊號產生該驅動電壓。 21