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TWI671985B - 高壓驅動器 - Google Patents

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TWI671985B
TWI671985B TW107136814A TW107136814A TWI671985B TW I671985 B TWI671985 B TW I671985B TW 107136814 A TW107136814 A TW 107136814A TW 107136814 A TW107136814 A TW 107136814A TW I671985 B TWI671985 B TW I671985B
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楊政德
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力旺電子股份有限公司
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Abstract

高壓驅動器包含電荷泵、電位轉換電路、第一組二極體及第二組二極體。電荷泵根據回授電壓調整驅動電壓並自電荷泵的輸出端輸出驅動電壓。電位轉換電路根據控制訊號產生輸出電壓。電位轉換電路包含複數個堆疊電晶體及複數個控制電晶體。堆疊電晶體緩減驅動電壓所造成的高跨壓，而控制電晶體控制輸出電壓。第一組二極體串聯於電荷泵的輸出端及系統電壓端之間，提供介於驅動電壓及系統電壓端所提供的參考電壓之間的複數個分壓至堆疊電晶體的控制端。第二組二極體串聯於電荷泵的輸出端及系統電壓端之間，並提供回授電壓。

Description

高壓驅動器
本發明是有關於一種高壓驅動器，特別是指一種能夠避免內部電晶體承受高跨壓的高壓驅動器。
為了滿足電子裝置的低功率需求，積體電路的電力規格已被重新設計成適合在低電壓的環境中操作，以減少電能損耗。舉例來說，過去積體電路的電力規格常使用的5V操作電壓現今常已降為3V或甚至低於2V。雖然電源供應改以低電壓能夠減少電能損耗，然而在有些情況下仍會需要使用到較高的電壓。舉例來說，快閃記憶體就需要較高的電壓來進行寫入或清除操作。一般而言，電荷泵常會用來提供應用所需的高電壓。
為了讓低壓製程所製造的元件能夠控制高電壓，先前技術常會將電晶體堆疊，並分別給予適當的中介電壓。然而，就像提供高電壓的電荷泵，提供中介電壓的電路也需要花費一段時間才能將中介電壓提升到所需的電位。在中介電壓達到其目標電位並且進入穩態之前，堆疊電晶體所承受的跨壓仍然可能會造成電晶體的損壞。此外，如果中介電壓提升的速度比電荷泵的輸出電壓提升的速度還慢，那麼電荷泵所輸出的電壓便會因為回授的延遲而產生過衝(overshoot)的現象。
本發明的一實施例提供一種高壓驅動器，高壓驅動器包含電荷泵、電位轉換電路、第一組二極體及第二組二極體。
電荷泵具有輸出端及回授端，電荷泵的輸出端輸出驅動電壓，而電荷泵的回授端接收回授電壓，電荷泵根據回授電壓調整驅動電壓。
電位轉換(level shift)電路耦接於電荷泵之輸出端及系統電壓端。電位轉換電路接收至少一控制訊號，並根據至少一控制訊號產生輸出電壓。電位轉換電路包含複數個堆疊電晶體及複數個控制電晶體。複數個堆疊電晶體緩減驅動電壓所造成的高跨壓，複數個控制電晶體耦接於複數個堆疊電晶體，並控制輸出電壓。
第一組二極體串聯於電荷泵的輸出端及系統電壓端之間，用以提供介於驅動電壓及系統電壓端所提供的參考電壓之間的複數個分壓。複數個堆疊電晶體中每一個堆疊電晶體的控制端接收複數個分壓中對應的分壓。第二組二極體串聯於電荷泵的輸出端及系統電壓端之間，並提供回授電壓。
100、200‧‧‧高壓驅動器
110、210‧‧‧電荷泵
120‧‧‧電位轉換電路
130、230‧‧‧第一組二極體
140、240‧‧‧第二組二極體
TC1至TC6‧‧‧控制電晶體
TS1至TS4‧‧‧堆疊電晶體
C1‧‧‧電容
Vf‧‧‧回授電壓
Vref‧‧‧參考電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
Vd‧‧‧驅動電壓
SIGctrl1、SIGctrl2‧‧‧控制訊號
NS‧‧‧系統電壓端
V1至V3‧‧‧分壓
N3‧‧‧節點
250‧‧‧比較器
SIGntf‧‧‧提示訊號
VA‧‧‧第一參考電壓
VB‧‧‧第二參考電壓
第1圖是本發明一實施例的高壓驅動器的示意圖。
第2圖是本發明另一實施例的高壓驅動器的示意圖。
第1圖是本發明一實施例的高壓驅動器100的示意圖。高壓驅動器100包含電荷泵110、電位轉換(level shift)電路120、第一組二極體130及第二組二極體140。
電荷泵110具有輸出端及回授端，電荷泵110可透過輸出端輸出驅動電壓Vd，並可透過回授端接收回授電壓Vf。電荷泵110可將較低的系統操作電壓加壓以產生系統所需的較高的驅動電壓Vd。舉例來說，電荷泵110可以將3.3V的系統操作電壓加壓以產生18V的驅動電壓Vd。此外，為了確保驅動電壓Vd能夠達到所需的電位並且保持穩定，電荷泵110還可根據回授電壓Vf來調整驅動電壓Vd。
電位轉換電路120耦接於電荷泵110的輸出端及系統電壓端NS。在有些實施例中，系統電壓端NS可以提供參考電壓Vref，而參考電壓Vref可以是系統的地電壓。電位轉換電路120可以接收第一控制訊號SIGctrl1及第二控制訊號SIGctrl2，並可根據第一控制訊號SIGctrl1及第二控制訊號SIGctrl2產生輸出電壓Vout。也就是說，電位轉換電路120可以根據第一控制訊號SIGctrl1及第二控制訊號SIGctrl2來控制是否輸出高驅動電壓Vd來作為輸出電壓Vout。
電位轉換電路120包含複數個堆疊電晶體TS1至TS4及複數個控制電晶體TC1至TC6。堆疊電晶體TS1至TS4可以分解驅動電壓Vd所造成的高跨壓。 控制電晶體TC1至TC6可以耦接至堆疊電晶體TS1至TS4，並可控制輸出電壓Vout。
在第1圖中，第一控制電晶體TC1具有第一端、第二端及控制端。第一控制電晶體TC1的第二端耦接於系統電壓端NS，第一控制電晶體TC1的控制端可接收第一控制訊號SIGctrl。第二控制電晶體TC2具有第一端、第二端及控制端，第二控制電晶體TC2的第二端耦接於系統電壓端NS，而第二控制電晶體TC2的控制端可接收與第一控制訊號SIGctrl互補的第二控制訊號SIGctrl2。在有些實施例中，由於第一控制訊號SIGctr1與第二控制訊號SIGctr2互補，因此電位轉換電路120也可能僅接收第一控制訊號SIGctrl與第二控制訊號SIGctr2中的其中一者，並透過反向器來產生另一者。
第三控制電晶體TC3具有第一端、第二端及控制端。第三控制電晶體TC3的第一端耦接至堆疊電晶體TS1至TS4，第三控制電晶體TC3的第二端耦接於第一控制電晶體TC1的第一端，而第三控制電晶體TC3的控制端可接收第一分壓V1。第四控制電晶體TC4具有第一端、第二端及控制端。第四控制電晶體TC4的第一端耦接至堆疊電晶體TS1至TS4，第四控制電晶體TC4的第二端耦接於第二控制電晶體TC2的第一端，而第四控制電晶體TC4的控制端可接收第一分壓V1。
第五控制電晶體TC5具有第一端、第二端及控制端。第五控制電晶體TC5的第一端耦接至電荷泵110的輸出端，而第五控制電晶體TC5的第二端耦接於堆疊電晶體TS1至TS4。第六控制電晶體TC6具有第一端、第二端及控制端。 第六控制電晶體TC6的第一端耦接至電荷泵110的輸出端，第六控制電晶體TC6的第二端耦接於第五控制電晶體TC5的控制端以及堆疊電晶體TS1至TS4，而第六控制電晶體TC6的控制端耦接於第五控制電晶體TC5的第二端。
此外，第一堆疊電晶體TS1具有第一端、第二端及控制端。第一堆疊電晶體TS1的第二端耦接於第三控制電晶體TC3的第一端，而第一堆疊電晶體TS1的控制端可接收第二分壓V2。第二堆疊電晶體TS2具有第一端、第二端及控制端。第二堆疊電晶體TS2的第二端耦接於第四控制電晶體TC4的第一端，而第二堆疊電晶體TS2的控制端可接收第二分壓V2。
第三堆疊電晶體TS3具有第一端、第二端及控制端。第三堆疊電晶體TS3的第一端耦接於第五控制電晶體TC5的第二端，第三堆疊電晶體TS3的第二端耦接於第一堆疊電晶體TS1的第一端，而第三堆疊電晶體TS3的控制端可接收第三分壓V3。第四堆疊電晶體TS4具有第一端、第二端及控制端。第四堆疊電晶體TS4的第一端耦接於第六控制電晶體TC6的第二端，第四堆疊電晶體TS4的第二端耦接於第二堆疊電晶體TS2的第一端，而第四堆疊電晶體TS4的控制端可接 收第三分壓V3。
在此情況下，當第一控制訊號SIGctrl1為高電壓，而第二控制訊號SIGctrl2為低電壓時，電位轉換電路120可以經由第四控制電晶體TC4的第一端輸出驅動電壓Vd以作為其輸出電壓Vout。此外，當第一控制訊號SIGctrl1為低電壓，而第二控制訊號SIGctrl2為高電壓時，電位轉換電路120則可經由第四控制電晶體TC4的第一端輸出參考電壓Vref以作為其輸出電壓Vout。也就是說，透過電位轉換電路120，就能夠透過第一控制訊號SIGctrl1及第二控制訊號SIGctrl2來控制輸出電壓Vout，以確保耦接至高壓驅動器100的功能電路能夠及時接收到所需的高電壓。
此外，堆疊電晶體TS1至TS4、第三控制電晶體TC3及第四控制電晶體TC4的控制端所接收的第一分壓V1至第三分壓V3可以由第一組二極體130來提供。第一組二極體130可以彼此串聯在電荷泵110的輸出端及系統電壓端NS之間。透過二極體所產生的偏壓，第一組二極體130就能夠提供在驅動電壓Vd及參考電壓Vref之間的分壓V1至V3。在此實施例中，驅動電壓Vd可高於第三分壓V3，第三分壓V3可高於第二分壓V2，而第二分壓V2可高於或實質上等於第一分壓V1。例如但不限於，在第1圖中，第一組二極體130總共可包含15個二極體，且每一個二極體可提供1.2V的偏壓。在此情況下，驅動電壓Vd可例如為18V，第三分壓V3可例如為12V，而第二分壓V2及第一分壓V1可例如為6V。如此一來，就能夠減少堆疊電晶體TS1至TS4所承受的跨壓，以防止堆疊電晶體TS1至TS4因為承受高跨壓而損毀。
由於第一組二極體130是用來提供分壓V1至V3至電位轉換電路120，而電位轉換電路120中電晶體的閘極電容會接收電荷，導致分壓V1至V3的抬升速度可能會比驅動電壓Vd的抬升速度來得慢。因此，如果利用第一組二極體130來提供回授電壓，電荷泵110的反應動作隨之延遲，導致驅動電壓Vd過衝 (overshoot)的現象。為了緩解這個問題，便可利用第二組二極體140來提供回授電壓Vf。
第二組二極體140可彼此串聯於電荷泵110的輸出端及系統電壓端NS之間，此外，為確保回授電壓Vf可以模擬第一組二極體130的理想行為，在有些實施例中，第一組二極體130及第二組二極體140可以具有相同數量的二極體。 由於第二組二極體140並未提供分壓給其他電路，因此回授電壓Vf的抬升速度會與驅動電壓Vd的抬升速度相當接近。如此一來，電荷泵110就可以更加適當且即時地調整驅動電壓Vd的大小，避免電壓過衝的問題，也可避免電晶體因為電壓過衝而承受過大跨壓導致崩潰的問題。
此外，在第1圖中，第一堆疊電晶體TS1、第二堆疊電晶體TS2、第三堆疊電晶體TS3及第四堆疊電晶體TS4可以是P型電晶體。在此情況下，為了進一步強化電晶體的耐壓能力，堆疊電晶體TS1至TS4的井區可以耦接至堆疊電晶體TS1至TS4的源極端。如此一來，就可以提升堆疊電晶體TS1至TS4的崩潰電壓，使得電位轉換電路120更加耐用。
也就是說，第一堆疊電晶體TS1的基體端可以耦接至第一堆疊電晶體TS1的第一端，第二堆疊電晶體TS2的基體端可以耦接至第二堆疊電晶體TS2的第一端，第三堆疊電晶體TS3的基體端可以耦接至第三堆疊電晶體TS3的第一端，而第四堆疊電晶體TS4的基體端可以耦接至第四堆疊電晶體TS4的第一端。
相似地，在第1圖中，第一控制電晶體TC1、第二控制電晶體TC2、第三控制電晶體TC3及第四控制電晶體TC4可以是N型電晶體。此外，第五控制電晶體TC5及第六控制電晶體TC6可以是P型電晶體。在此情況下，第一控制電晶體TC1的基體端可以耦接至第一控制電晶體TC1的二端，第二控制電晶體TC2的基體端可以耦接至第二控制電晶體TC2的二端，第三控制電晶體TC3的基體端可以耦接至第三控制電晶體TC3的二端，而第四控制電晶體TC4的基體端可以耦 接至第四控制電晶體TC4的二端。再者，第五控制電晶體TC5的基體端可以耦接至第五控制電晶體TC5的第一端，而第六控制電晶體TC6的基體端可以耦接至第六控制電晶體TC6的第一端。
在第1圖中，雖然電位轉換電路120包含了四個堆疊電晶體TS1至TS4，然而本發明並不以此為限。在本發明的其他實施例中，如果所需的驅動電壓更高，則電位轉換電路也可包含更多數量的堆疊電晶體，且其控制端將接收到對應的分壓以減少驅動電壓Vd在每個電晶體上所造成的跨壓。
此外，若分壓V1至V3的抬升速度甚慢於輸出電壓Vout的抬升速度，則堆疊電晶體TS1至TS4的閘極也將承受巨大的壓差。在此情況下，可透過比較器來偵測並緩解此問題。
第2圖是本發明另一實施例的高壓驅動器200的示意圖。高壓驅動器100及200具有相似的結構並可根據相似的原理操作。然而，高壓驅動器200還可包含比較器250。比較器250可比較第一組二極體230所提供的第一參考電壓VA以及第二組二極體240所提供的第二參考電壓VB，並據以輸出提示訊號SIGntf。
在第2圖中，第一組二極體230及第二組二極體240可各包含15個二極體，第一組二極體230可利用其第六個二極體來提供第一參考電壓VA，而第二組二極體240可利用其第四個二極體來提供第二參考電壓VB。也就是說，在高壓驅動器200的穩定狀態下，第一參考電壓VA應該會高於第二參考電壓VB。
然而，在高壓驅動器200進入穩態之前，由於第一組二極體230的電壓抬升速較慢，因此第一參考電壓VA可能會低於第二參考電壓VB。當第一參考電壓VA低於第二參考電壓VB時，表示第一組二極體230所提供的分壓V1至V3已經大幅落後各自的目標值，此時電位轉換電路120中的電晶體可能會承受到巨大的壓差。因此，比較器250可以輸出提示訊號SIGntf至電荷泵210，而電荷泵210可以根據提示訊號SIGntf來調整驅動電壓Vd。
舉例來說，當第一參考電壓VA低於第二參考電壓VB時，比較器250可以輸出提示訊號SIGntf至電荷泵210以降低電荷泵210的加壓時脈訊號的頻率，或者將電荷泵210暫停一段時間。因此，驅動電壓Vd的抬升速度將會減緩或者停止抬升，此時由第一組二極體230所提供的分壓V1至V3仍會持續上升。如此一來，分壓V1至V3就不至於大幅落後其目標電位，並可將堆疊電晶體TS1至TS4所接收到的壓差保持在可接受的範圍內。
再者，在第2圖中，高壓驅動器200還可包含電容C1，電容C1可以耦接在電荷泵210的輸出端及第一組二極體230中用以提供第三分壓V3的節點N3之間。透過電容C1，節點N3的電壓就能夠更加快速的提升，避免堆疊電晶體TS3及TS4因為第三分壓V3的抬升速度太慢而承受了過大的壓差。在有些實施例中，也可根據系統的需求而將電容C1耦接至第一組二極體230中的其他節點，以提升該節點的分壓提升速度。
此外，在有些實施例中，在系統允許的情況下，高壓驅動器200可利用電容C1來提升分壓提升的速度，而將第二組二極體240省略。
綜上所述，本發明的實施例所提供的高壓驅動器可以產生即時反應驅動電壓實際情況的回授電壓使得驅動電壓過衝的問題得以緩解。此外，透過比較兩組二極體所提供的參考電壓，高壓驅動器就能夠檢測出分壓抬升速度過慢的情況，並對應地調整驅動電壓以避免電晶體因為承受不了高壓差而損壞。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。

Claims (12)

  1. 一種高壓驅動器，包含：一電荷泵，具有一輸出端用以輸出一驅動電壓，及一回授端用以接收一回授電壓，該電荷泵係用以根據該回授電壓調整該驅動電壓；一電位轉換(level shift)電路，耦接於該電荷泵之該輸出端及一系統電壓端，用以接收至少一控制訊號，及根據該至少一控制訊號產生一輸出電壓，該電位轉換電路包含：複數個堆疊電晶體，用以緩減該驅動電壓所造成的一高跨壓；及複數個控制電晶體，耦接於該些堆疊電晶體，用以控制該輸出電壓；一第一組二極體，串聯於該電荷泵的該輸出端及該系統電壓端之間，用以提供介於該驅動電壓及該系統電壓端所提供的一參考電壓之間的複數個分壓，其中該些堆疊電晶體中的每一個堆疊電晶體具有一控制端用以接收該些分壓中的一對應分壓；及一第二組二極體，串聯於該電荷泵的該輸出端及該系統電壓端之間，用以提供該回授電壓。
  2. 如請求項1所述之高壓驅動器，其中該第一組二極體及該第二組二極體包含相同數量的二極體。
  3. 如請求項1所述之高壓驅動器，其中該些控制電晶體包含：一第一控制電晶體，具有一第一端，一第二端耦接於該系統電壓端，及一控制端用以接收一第一控制訊號；一第二控制電晶體，具有一第一端，一第二端耦接於該系統電壓端，及一控制端用以接收與該第一控制訊號互補的一第二控制訊號；一第三控制電晶體，具有一第一端耦接於該些堆疊電晶體，一第二端耦接於該第一控制電晶體的該第一端，及一控制端用以接收該些分壓中的一第一分壓；一第四控制電晶體，具有一第一端耦接於該些堆疊電晶體，一第二端耦接於該第二控制電晶體的該第一端，及一控制端用以接收該第一分壓；一第五控制電晶體，具有一第一端耦接於該電荷泵的該輸出端，一第二端耦接於該些堆疊電晶體，及一控制端；及一第六控制電晶體，具有一第一端耦接於該電荷泵的該輸出端，一第二端耦接於該第五控制電晶體的該控制端及該些堆疊電晶體，及一控制端耦接於該第五控制電晶體的該第二端。
  4. 如請求項3所述之高壓驅動器，其中該些堆疊電晶體包含：一第一堆疊電晶體，具有一第一端，一第二端耦接於該第三控制電晶體的該第一端，及一控制端用以接收該些分壓中的一第二分壓；一第二堆疊電晶體，具有一第一端，一第二端耦接於該第四控制電晶體的該第一端，及一控制端用以接收該第二分壓；一第三堆疊電晶體，具有一第一端耦接於該第五控制電晶體的該第二端，一第二端耦接於該第一堆疊電晶體的該第一端，及一控制端用以接收該些分壓中的一第三分壓；及一第四堆疊電晶體，具有一第一端耦接於該第六控制電晶體的該第二端，一第二端耦接於該第二堆疊電晶體的該第一端，及一控制端用以接收該第三分壓。
  5. 如請求項4所述之高壓驅動器，其中該驅動電壓高於該第三分壓，該第三分壓高於該第二分壓，且該第二分壓高於或實質上等於該第一分壓。
  6. 如請求項4所述之高壓驅動器，其中：該第一堆疊電晶體、該第二堆疊電晶體、該第三堆疊電晶體及該第四堆疊電晶體係為P型電晶體；該第一堆疊電晶體的一基體端是耦接於該第一堆疊電晶體的該第一端；該第二堆疊電晶體的一基體端是耦接於該第二堆疊電晶體的該第一端；該第三堆疊電晶體的一基體端是耦接於該第三堆疊電晶體的該第一端；及該第四堆疊電晶體的一基體端是耦接於該第四堆疊電晶體的該第一端。
  7. 如請求項6所述之高壓驅動器，其中：該第一控制電晶體、該第二控制電晶體、該第三控制電晶體及該第四控制電晶體係為N型電晶體；該第五控制電晶體及該第六控制電晶體係為P型電晶體；該第一控制電晶體的一基體端是耦接於該第一控制電晶體的該第二端；該第二控制電晶體的一基體端是耦接於該第二控制電晶體的該第二端；該第三控制電晶體的一基體端是耦接於該第三控制電晶體的該第二端；該第四控制電晶體的一基體端是耦接於該第四控制電晶體的該第二端；該第五控制電晶體的一基體端是耦接於該第五控制電晶體的該第一端；及該第六控制電晶體的一基體端是耦接於該第六控制電晶體的該第一端。
  8. 如請求項1所述之高壓驅動器，另包含：一比較器，用以比較該第一組二極體所提供的一第一參考電壓及該第二組二極體所提供的一第二參考電壓以輸出一提示訊號；其中該電荷泵另用以根據該提示訊號調整該驅動電壓。
  9. 如請求項8所述之高壓驅動器，其中在該高壓驅動器處於一穩定狀態時，該第一參考電壓高於該第二參考電壓。
  10. 如請求項9所述之高壓驅動器，其中在該高壓驅動器進入該穩定狀態之前，當該第一參考電壓低於該第二參考電壓時，該比較器輸出該提示訊號至該電荷泵以降低該電荷泵的一加壓時脈訊號的一頻率。
  11. 如請求項9所述之高壓驅動器，其中在該高壓驅動器進入該穩定狀態之前，當該第一參考電壓低於該第二參考電壓時，該比較器輸出該提示訊號至該電荷泵以使該電荷泵暫停運作。
  12. 如請求項1所述之高壓驅動器，另包含一電容，耦接於該電荷泵的該輸出端及該第一組二極體中用以提供該些分壓中一分壓的一節點。
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