電壓切換裝置的製作方法
2023-11-11 01:48:07
專利名稱：電壓切換裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電壓切換裝置，且特別涉及一種使用自我偏壓電路的電壓切換裝置。
背景技術：
隨著可攜式產品的大量出現，有效率的電源管理已成為電路設計的重要因素之一。在電源效率的設計領域上，其中之一就是必須針對系統元件提供多種不同的切換電壓，以達到低功率且整合度高的電子產品。
圖1為傳統的電壓切換裝置，其中包括開關S11與S12。開關S11與S12的第一端分別接收輸入電壓Vin11與Vin12，而開關S11與S12的第二端電性相互連接且輸出一切換電壓VPP1。兩個非重疊的(non-overlap)致能信號SEN11與SEN12可用於控制此電壓切換裝置。開關S11根據致能信號SEN11導通(turn on)兩端點，讓切換電壓VPP1等同於輸入電壓Vin11，此時開關S12不導通(turn off)。相對的，當開關S12根據致能信號SEN12導通兩端點時，開關S11不導通，切換電壓VPP1等同於輸入電壓Vin12。因此，隨著致能信號SEN11與SEN12的控制，傳統的電壓切換裝置就可輸出系統元件所需的切換電壓。
然而，隨著切換電壓VPP1的高壓需求，傳統的電壓切換裝置在實際的電路布局(layout)上需採用高壓工藝技術來實現。舉例而言，比如切換電壓VPP1需要切換於1.8V與7V。為了符合切換電壓VPP1可為7V的需求，就必須採用操作電壓為7V的高壓工藝技術來實現電壓切換裝置。如此一來，不僅增加電路的布局面積，也消耗了整體系統功率。
發明內容
本發明的目的是提供一種電壓切換裝置，用以提供系統元件所需的各種不同切換電壓。且與傳統架構相比較，本發明不需採用高壓工藝技術就可達到相同的電路性能。
為達到上述及其它目的，本發明提出一種電壓切換裝置，包括第一切換單元、第二切換單元與自我偏壓單元。
電壓切換裝置是依據第一切換單元與第二切換單元之輸出，產生切換電壓。當電壓切換裝置由第一切換單元輸出切換電壓時，第一切換單元會依據第一致能信號，輸出第一輸入電壓當作切換電壓。相對的，當電壓切換裝置由第二切換單元輸出切換電壓時，第二切換單元則會依據參考電壓與第二致能信號，輸出第二輸入電壓當作切換電壓。
上述之自我偏壓單元包括兩個電阻、以及兩個由單顆N型電晶體所組成的開關。當第一致能信號與第二致能信號在分別對第一切換單元與第二切換單元進行控制時，自我偏壓單元也同時利用第一致能信號對本身開關進行控制，讓自我偏壓單元所輸出的參考電壓，能讓第二切換單元內的開關，在高壓切換時正常工作。
依照本發明的較佳實施例所述，本發明是利用一自我偏壓單元讓電壓切換裝置，在不需採用高壓工藝技術下就可實現。如此一來，與傳統的架構相比較，本發明不僅節省了電路布局面積，也降低了整體系統所消耗之功率。
為讓本發明的上述和其它目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合附圖，作詳細說明如下。
圖1為傳統電壓切換裝置之電路圖。
圖2為根據本發明一實施例的電壓切換裝置之架構圖。
圖3為根據本實施例的電壓切換裝置之完整電路圖。
圖4為可應用於圖3之信號時序圖。
圖5與圖6為本實施例之工作原理示意圖。
主要元件標記說明201第一切換單元202第二切換單元203自我偏壓單元211時序產生器S11、S12、S21～S26開關R31、R32電阻SEN21、SEN22致能信號Vin21、Vin22輸入電壓Vpp1、Vpp2切換電壓VREF參考電壓VN1、VN2、VN3、VN4節點電壓具體實施方式
圖2為本發明一實施例的電壓切換裝置之架構圖。如圖2所示，電壓切換裝置包括第一切換單元201、第二切換單元202、以及自我偏壓單元203。第一切換單元201與第二切換單元202分別接收輸入電壓Vin21與Vin22，且第一切換單元201的輸出端與第二切換單元202的輸出端電性相互連接。自我偏壓單元203連接至第二切換單元202，用以提供參考電壓VREF至第二切換單元202。在此電壓切換裝置內，根據致能信號SEN21控制第一切換單元201與自我偏壓單元203，根據致能信號SEN22以及參考電壓VREF控制第二切換單元202，以便電壓切換裝置依據第一切換單元與第二切換單元之輸出，產生切換電壓VPP2，其中致能信號SEN21與SEN22為兩個相互不重疊(non-overlap)或為互相反相的信號。
圖3為本實施例的電壓切換裝置之詳細電路圖。本實施例的第一切換單元201包括開關S23與S24，第二切換單元202則包括開關S21與S22，而自我偏壓單元203則包括電阻R31與R32、以及開關S25與S26。其中開關S21～S23都是由單顆P型電晶體所組成，而開關S24～S26則都是由單顆N型電晶體所組成。各個開關S21～S26與電阻R31～R32的連接關係描述如下。
開關S21具有第一端(P型電晶體之源極)，接收輸入電壓Vin22；第二端(P型電晶體之漏極)，連接至開關S22之第一端；第三端(P型電晶體之柵極)，根據參考電壓VREF決定開關本身的導通狀態。開關S22具有第一端(P型電晶體之源極)，連接至開關S21之第二端；第二端(P型電晶體之漏極)，連接至開關S24之第二端並輸出切換電壓VPP2；第三端(P型電晶體之柵極)，根據致能信號SEN22決定開關本身的導通狀態。開關S23具有第一端(P型電晶體之源極)，接收輸入電壓Vin21；第二端(P型電晶體之漏極)，連接至開關S24之第一端；第三端(P型電晶體之柵極)，根據致能信號SEN21決定開關本身的導通狀態。開關S24具有第一端(N型電晶體之漏極)，連接至開關S23之第二端；第二端(N型電晶體之源極)，連接至開關S22之第二端並輸出切換電壓VPP2；第三端(N型電晶體之柵極)，根據操作電壓VDD決定開關本身的導通狀態。開關S25具有第一端(N型電晶體之漏極)，連接至電阻R32之第二端；第二端(N型電晶體之源極)，連接至開關S26之第一端；第三端(N型電晶體之柵極)，根據操作電壓VDD決定開關本身的導通狀態。開關S26具有第一端(N型電晶體之漏極)，連接至開關S25之第二端；第二端(N型電晶體之源極)，連接至地端；第三端(N型電晶體之柵極)，根據致能信號SEN21決定開關本身的導通狀態。
電阻R31具有第一端，接收輸入電壓Vin22；第二端，連接至電阻R32之第一端並輸出參考電壓VREF。電阻R32具有第一端，連接至電阻R31之第二端並輸出參考電壓VREF；第二端，連接至開關S25之第一端。
本實施例的工作原理可參照圖4的時序圖來看，並以操作電壓VDD為5V，兩輸入電壓Vin21與Vin22分別為1.8V與7V為例來解說。為了以下說明方便，圖4另外標出節點N1～N4。當致能信號SEN21為低電平(0V)，以及致能信號SEN22為高電平(5V)時，所有開關S21～S26的動作就如圖5所示。在開關S25與S26(由N型電晶體所組成)之柵極偏壓分別為操作電壓VDD與低電平(0V)的情況下，由圖4中的節點電壓VN3與VN4，可印證兩開關的柵源極電壓小於電晶體的臨界電壓，因此兩開關S25與S26不導通。自我偏壓單元203在開關S25與S26不導通的情況下，所接收的輸入電壓Vin22完全壓降在電阻R31上。因此自我偏壓單元203所輸出的參考電壓VREF就等同於輸入電壓Vin22(7V)。此時，因參考電壓VREF與致能信號SEN22分別為7V與高電平(5V)的情況下，第二切換單元202中的兩開關S21與S22不導通，電壓切換裝置所輸出的切換電壓VPP2由第一切換單元201決定。在第一切換單元201內，因低電平(0V)之致能信號SEN21耦合至由P型電晶體所組成的開關S23之柵極，且由N型電晶體所組成的開關S24之柵極偏壓在高電平(5V)的情況下，兩開關S23與S24分別導通，第一切換單元201輸出切換電壓VPP2，也就是輸入電壓Vin21(1.8V)。關於第一切換單元201與第二切換單元202中之開關S21～S24導通狀態的印證，可對照圖4之節點電壓VN1與VN2來看。
相對的，當致能信號SEN21為高電平(5V)，以及致能信號SEN22為低電平(0V)時，所有開關S21～S26的動作就如圖6所示。對照圖4節點電壓VN3與VN4來看，此時開關S25與S26的柵源極電壓分別大於本身電晶體的臨界電壓，因此兩開關S25與S26導通。自我偏壓單元203在開關S25與S26導通的情況下，所接收的輸入電壓Vin22壓降在電阻R31與R32上。此時，自我偏壓單元203所輸出的參考電壓VREF，由兩電阻R31與R32的阻值大小比例來決定。在本實施例中，為了讓第二切換單元202在輸出切換電壓VPP2時，可以維持開關S21的正常切換動作，因此兩電阻R31與R32的阻值大小比例選擇原則如式(1)所示，是讓開關S21之電壓VSG21(亦即輸入電壓Vin22與參考電壓VREF間之壓差)大於本身臨界電壓(VTH)且小於操作電壓VDD(5V)。
|VTH|＜VSG21＜VDD(1)如此一來，第二切換單元202中的開關S21與S22，因電壓VSG21大於電晶體的臨界電壓，且致能信號SEN22為低電平(0V)，因此兩開關S21與S22都分別在導通狀態。於此，第二切換單元202所輸出之切換電壓VPP2等於輸入電壓Vin22(7V)。第一切換單元201的兩開關S23與S24，因致能信號SEN21為高電平(5V)，且由N型電晶體所組成的開關S24之柵極偏壓在高電平(5V)的情況下，兩開關S23與S24分別不導通。此時，電壓切換裝置所輸出的切換電壓VPP2由第二切換單元202決定。相似的，關於第一切換單元201與第二切換單元202中之開關S21～S24導通狀態的印證，可對照圖4之節點電壓VN1與VN2來看。
本實施例的電壓切換裝置，可利用操作電壓VDD為5V的工藝技術來實現，使得切換電壓VPP2可為1.8V或7V。然而，本實施例也可經由微調自我偏壓單元203內的電阻R31與R32，而讓電壓切換裝置在改變操作電壓VDD與切換電壓VPP2範圍的情況下，依舊可通過參考電壓VREF將開關S21之電壓VSG21，維持在式(1)的選擇原則下，讓用以切換高壓(本實施例中例如為7V)的第二切換單元202，可用較低的操作電壓VDD(本實施例中例如為5V)來實現。
舉例而言，切換電壓為2.5V或8V的電壓切換裝置，若需實現在5V的低操作電壓VDD下，則用以切換高壓(8V)的第二切換單元202，可通過微調電阻R31與R32，讓參考電壓VREF將開關S21之電壓VSG21，維持在式(1)的選擇原則下，就可達到實現在低壓(5V)工藝技術的目標，而不須如現有技術一般，因第二切換單元202受限於8V的切換電壓，電壓切換裝置就必須採用高壓(8V)的工藝技術。如此一來，本實施例通過微調電阻的舉動，讓電壓切換裝置的操作電壓VDD，不再受限於切換電壓VPP2的要求，進而使電壓切換裝置可實現在低壓工藝技術底下。
另一方面，本實施例也可應用在快閃記憶體(flash memory)之電源供應電路中的電壓切換電路。舉例而言，當快閃記憶體於編程模式(programming mode)時，本實施例在圖6狀態下，所提供的較高切換電壓(7V)，就可當成快閃記憶體此時所需的電源電壓。相對的，當快閃記憶體處於一般模式(normal mode)時，本實施例在圖5狀態下，所提供的較低切換電壓(1.8V)，就符合快閃記憶體此時電源電壓的要求。
此外，在本實施例中，分壓電路(原先由電阻所構成)亦可利用串聯之二極體或MOS電晶體等方式達到。
綜上所述，本發明是利用自我偏壓單元讓電壓切換裝置，可以採用低壓工藝技術來實現。如此一來，本發明的電壓切換裝置與傳統的架構相比較下，本發明不僅節省了電路布局面積，也降低了整體系統所消耗之功率。
雖然本發明已以較佳實施例披露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域的技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與改進，因此本發明的保護範圍當視權利要求所界定者為準。
權利要求
1.一種電壓切換裝置，接收第一與第二輸入電壓，並根據第一與第二致能信號輸出切換電壓，其特徵是該電壓切換裝置包括第一切換單元，接收該第一輸入電壓，並根據該第一致能信號輸出該切換電壓；自我偏壓單元，接收該第二輸入電壓，並根據該第一致能信號，輸出參考電壓；以及第二切換單元，連接至該第一切換單元，接收該第二輸入電壓，並根據該參考電壓與該第二致能信號輸出該切換電壓；其中該第一切換單元輸出該切換電壓時，該切換電壓相關於該第一輸入電壓；以及該第二切換單元輸出該切換電壓時，該切換電壓相關於該第二輸入電壓。
2.根據權利要求1所述之電壓切換裝置，其特徵是由該第一切換單元輸出該切換電壓時，該切換電壓等同於該第一輸入電壓。
3.根據權利要求1所述之電壓切換裝置，其特徵是由該第二切換單元輸出該切換電壓時，該切換電壓等同於該第二輸入電壓。
4.根據權利要求1所述之電壓切換裝置，其特徵是該第一輸入電壓小於該第二輸入電壓。
5.根據權利要求1所述之電壓切換裝置，其特徵是該第一致能信號與該第二致能信號為相互不重疊。
6.根據權利要求1所述之電壓切換裝置，其特徵是第一切換單元包括第一開關，其第一端接收該第一輸入電壓，用以依據該第一致能信號而決定該第一開關之第一端與第二端之間的導通狀態；以及第二開關，其第一端連接至該第一開關之第二端，而該第二開關之第二端輸出該切換電壓，用以依據一操作電壓而決定該第二開關之第一端與第二端之間的導通狀態。
7.根據權利要求6所述之電壓切換裝置，其特徵是該第一開關是由P型電晶體所組成，該第二開關是由N型電晶體所組成。
8.根據權利要求1所述之電壓切換裝置，其特徵是該第二切換單元包括第三開關，其第一端接收該第二輸入電壓，用以依據該參考電壓而決定該第三開關之第一端與第二端之間的導通狀態；以及第四開關，其第一端連接至該第三開關之第二端，而該第四開關之第二端輸出該切換電壓，用以依據該第二致能信號而決定該第四開關之第一端與第二端之間的導通狀態。
9.根據權利要求8所述之電壓切換裝置，其特徵是該第三開關與該第四開關分別由P型電晶體所組成。
10.根據權利要求1所述之電壓切換裝置，其特徵是該自我偏壓單元包括第一電阻，其第一端連接至該第二輸入電壓，而該第一電阻之第二端輸出該參考電壓；第二電阻，其第一端連接至該第一電阻之第二端；第五開關，其第一端連接至該第二電阻之第二端，用以依據該操作電壓而決定該第五開關之第一端與第二端之間的導通狀態；以及第六開關，其第一端連接至該第五開關之第二端，而該第六開關之第二端連接至地端，用以依據該第一致能信號而決定該第六開關之第一端與第二端之導通狀態。
11.根據權利要求10所述之電壓切換裝置，其特徵是該第五開關與該第六開關分別由N型電晶體所組成。
12.一種電壓切換裝置，接收第一與第二輸入電壓，並根據第一與第二致能信號輸出切換電壓，其特徵是該電壓切換裝置包括第一開關，接收該第一輸入電壓，依據該第一致能信號而決定是否導通該第一輸入電壓；第二開關，連接至該第一開關，該第二開關依據一操作電壓而決定是否將該第一開關所導通之該第一輸入電壓輸出成該切換電壓；自我偏壓單元，接收該第二輸入電壓，並根據該第一致能信號，輸出參考電壓；第三開關，接收該第二輸入電壓，依據該參考電壓而決定是否導通該第二輸入電壓；以及第四開關，連接至該第三開關，依據該第二致能信號而決定是否將該第三開關所導通之該第二輸入電壓輸出成該切換電壓；其中，當該第一致能信號為第一邏輯狀態時，該切換電壓相關於該第一輸入電壓；當該第一致能信號為第二邏輯狀態時，該切換電壓相關於該第二輸入電壓。
13.根據權利要求12所述之電壓切換裝置，其特徵是該第一開關、該第三開關與該第四開關分別由P型電晶體所組成，且該第二開關是由N型電晶體所組成。
14.根據權利要求12所述之電壓切換裝置，其特徵是該自我偏壓單元包括第一電阻，其第一端連接至該第二輸入電壓，而該第一電阻之第二端輸出該參考電壓；第二電阻，其第一端連接至該第一電阻之第二端；第五開關，連接至該第二電阻之第二端，依據該操作電壓而決定該第五開關之導通狀態；以及第六開關，連接於該第五開關與地端之間，依據該第一致能信號而決定該第六開關之導通狀態。
15.根據權利要求14所述之電壓切換裝置，其特徵是該第五開關與該第六開關分別由N型電晶體所組成。
16.根據權利要求12所述之電壓切換裝置，其特徵是由該第二開關輸出該切換電壓時，該切換電壓等同於該第一輸入電壓。
17.根據權利要求12所述之電壓切換裝置，其特徵是由該第四開關輸出該切換電壓時，該切換電壓等同於該第二輸入電壓。
18.根據權利要求12所述之電壓切換裝置，其特徵是該第一輸入電壓小於該第二輸入電壓。
19.根據權利要求12所述之電壓切換裝置，其特徵是該第一致能信號與該第二致能信號為相互不重疊。
全文摘要
一種電壓切換裝置用以接收多個輸入電壓並輸出切換電壓，包括第一切換單元、第二切換單元與自我偏壓單元。電壓切換裝置是依據第一切換單元與第二切換單元之輸出，產生切換電壓。自我偏壓單元輸出參考電壓至第二切換單元。第一切換單元依據第一致能信號，輸出第一輸入電壓當作切換電壓。而第二切換單元則依據參考電壓與第二致能信號，輸出第二輸入電壓當作切換電壓。
文檔編號H02M3/00GK101043176SQ20061005842
公開日2007年9月26日 申請日期2006年3月24日 優先權日2006年3月24日
發明者陳天豪 申請人:奇景光電股份有限公司