為快閃記憶體儲器和其他應用提供電壓的感應電荷泵的製作方法
2023-07-28 07:51:11
專利名稱：為快閃記憶體儲器和其他應用提供電壓的感應電荷泵的製作方法
技術領域：
本發明總的涉及了直流(DC)電壓升壓電路，特別涉及了含有為閃速存儲器和其他應用產生一個或多個調整直流電壓感應的一個電荷泵電路的直流電壓升壓泵。
背景技術：
許多應用中需要用到將輸入電源直流電壓升壓至用於特定操作的較高直流電壓的電路。需要升壓的原因是因為經常僅有標準化的電源電壓向電路提供電壓。然而，可能會用到比有關電源所提供的電壓更高的電壓的情況。上述電路的其中一個例子是電可擦除只讀存儲器(EEPROM)，通常技術術語中稱作「閃速存儲器」。
閃速存儲器一般包含存儲單元陣列，每個存儲單元通常保存一位數據信息。通常，存儲單元僅僅是一個場效應電晶體(FET)，場效應電晶體包括一個浮動柵，浮動柵存有一個電荷，該電荷對應一位數據信息(在此稱作為「位電荷」)。更詳細地說，存儲單元FET包括一個漏極，門極和源極，其中門極包括一個能對存儲單元進行讀，寫和擦除的控制門極，以及包括一個保存數據信息的位電荷的浮動柵。除了這些門外，某些閃速存儲器還包括擦除門，該擦除門可以從浮動柵中移去位電荷，從而擦除存儲單元。
數據信息位電荷的寫(即，編程)通常涉及在FET通道中通過稀柵(THIN GATE)向浮動柵中導入或注入的電子。通常，隧道效應或熱電子注入需要相對高的能量來移動電子橫穿門極氧化層。類似的，擦除過程中浮動柵中的電子的移去也需要相對高的能量來移動電子橫穿門極氧化層或者位於擦除和浮動柵之間的氧化層。用於寫入和擦除操作的高能量電源通常是一個相對高的電壓源，該電壓源的電壓要比存儲器控制操作所用的電壓源電壓高。例如，所需要寫和讀操作的電壓為6伏特，而存儲器控制正常操作的電壓可以是1.5伏特。
在典型的閃速存儲器電路中，多數電路操作需要一個例如1.5伏特的電壓。從而，閃速存儲器電路的電源設計包括一個1.5伏特的電壓源。然而，為了產生較高的電壓用於寫和擦除操作，需要採用直流電壓升壓電路，該直流電壓升壓電路可以採用1.5伏特的正常電源電壓並把其升壓至大約6伏特，從而實現這些較高壓的操作。一般，通過直流電壓升壓電路可以把任何輸入電壓轉換成任何所想要的輸出電壓。
上述直流電壓升壓電路的一個例子是電容器電荷泵電路，該電路包括多個級聯級，每個級聯級包括一個開關和一個電容。級聯中先前級向後一級提供電荷，以把輸入電壓升壓至較高的輸出電壓。然而，該類型的升壓電路通常效率較低，這是因為兩個電壓級中負荷的轉換導致了電能損失以及流經每個電容器導致了電能損失。包含電容器電荷泵電路的直流電壓升壓電路的效率在5％到11％左右。
因而，完全有必要在把相對低的輸入電壓轉換成相對高的電壓中，已提高效率的直流電壓升壓電路。本發明的、將在下文中描述的直流電壓升壓電路就滿足了上述需要。本發明的直流電壓升壓電路可以用於閃速存儲器，靜態和動態隨機存儲器(RAM)應用，或者其他的任何可能涉及或可能不涉及存儲器應用的應用之中。一般情況下，需要一種能從輸入電壓中產生一個輸出電壓的直流電壓升壓電路。
附圖簡述
圖1圖示了根據本發明的典型存儲器電路的結構圖；圖2圖示了根據本發明的典型直流電壓升壓電路的結構/示意圖；圖3圖示了根據本發明的、產生多級輸出電壓的典型直流電壓升壓電路的結構/示意圖；圖4圖示了根據本發明的、產生多級輸出電壓的另一個典型直流電壓升壓電路的結構/示意圖；圖5A圖示了根據本發明的、與直流電壓升壓電路相結合的典型集成電路的俯視圖；圖5B圖示了根據本發明的、與直流電壓升壓電路相結合的另一個典型集成電路的俯視圖；圖6圖示了根據本發明的一個典型電子元件的結構圖；圖7A圖示了根據本發明的、用於升壓泵的典型調整電路的結構/示意圖；圖7B圖示了涉及圖7A的脈寬調製器的脈寬調製處理的波形；圖8A圖示了根據本發明的、用於升壓泵的另一個典型調整電路的結構/示意圖；圖8B圖示了涉及圖8A的脈寬調製器的脈寬調製處理的波形；圖9A圖示了根據本發明的、用於升壓泵的再另一個典型調整電路的結構/示意圖；圖9B圖示了涉及圖9A的脈寬調製器的脈寬調製處理的二進位真值表；以及圖9C圖示了涉及圖9A的脈寬調製器的脈寬調製處理的波形。
發明詳述圖1圖示了根據本發明的典型存儲器電路100的結構圖。存儲器電路100包括一個直流電壓升壓電路101，一個存儲器操作電路106和一個或多個存儲器陣列130。直流電壓升壓電路101包括一個電荷泵102和一個泵控制器104。存儲器操作電路106包括一個讀解碼器112，一個寫/擦除解碼器114和一個存儲器控制器116。
在操作過程中，直流電壓升壓電路101的電荷泵102接收到一個相對低的電源電壓Vcc並產生實現讀，寫，擦除和存儲器控制操作的電壓。這些電壓分別通過線路122，124和126與讀解碼器112，寫/擦除解碼器114和存儲器操作電路106的存儲器控制器116相耦合。泵控制器104對提供給存儲器操作電路的電壓進行調整，以便將它們基本維持恆定的、所希望的電壓。為了造成寫和擦除操作，提供給寫/擦除解碼器114的電壓通常比電源提供電壓Vcc(例如1伏特)要高。例如，該電壓可以是6伏特。而用於讀和存儲器控制操作的電壓要低的多，例如，可以是1.5伏特左右。
直流電壓升壓電路101以及文中描述的其他所有直流電壓升壓電路，無需限制於閃速存儲器應用中。本文中所描述的直流電壓升壓電路可以用於其他應用中，包括靜態隨機存儲器(SRAM)，動態隨機存儲器(DRAM)，和其他的存儲器應用。事實上，本文中描述的直流電壓升壓電路無需限制於存儲器應用中，也可以用於任何其他的要求輸出電壓不同於輸入電壓的應用中，包括無線，可攜式計算設備，比如個人數字助理(PDA)，膝上型計算機，電器等等。
圖2圖示了根據本發明的典型直流電壓升壓電路200的結構/示意圖。直流電壓升壓電路200包括一個感性元件210含有一個開關FETT1和一個二極體D1的，一個電荷泵驅動電路212，和一個輸出充電電容器C2。直流電壓升壓電路200進一步包括調整電路222和一個電平移位器220。直流電壓升壓電路200也可以包括一個置於Vcc和大地之間的電容器C1以用於過濾噪音，激勵和/或出現在電源電壓Vcc中的不需要的信號，以及包括一個位於Vcc和升壓電路200的輸出端之間的FET T2以確保輸出電壓足夠高，從而一旦啟動就可以激勵電平移位器。
在操作過程中，向開關電晶體T1的門提供一個振蕩控制信號，該信號可以引發電晶體T1定期的導通和關斷。電晶體T1轉入導通將引起電流從Vcc通過感應電荷泵210以及電晶體T1流入大地。感應電荷泵210存有因流經感性元件的電流而形成的能量。當振蕩控制信號引發電晶體T1關斷時，電晶體T1漏極處的電壓突起(spike up)，通過二極體D1將其轉移到輸出電容器C2。向輸出電容器的電壓轉移(即，電荷)，增加了直流升壓轉換器的輸出電壓。
因而，每個控制信號周期引發一個向輸出電容器C2轉移的附加電荷包。在電晶體T1下一個導通周期，二極體D1可以阻止這些電荷回流通過電晶體T1。通過連續循環此控制信號，在輸出電容器C2中不斷累積電荷直到在升壓電路200的輸出端獲得一個穩定的電壓。該穩定電壓依賴於控制信號的特性，包括其頻率和佔空因數。
直流電壓升壓電路200的輸出被施加到調整電路222。調整電路222形成控制信號用於驅動開關電晶體T1，以便在升壓電路200的輸出端維持一個基本恆定的預期電壓。調整電路222可以有多種方法實現上述功能，包括用產生調頻控制信號或者脈寬調製控制信號的方法來實現。在優選實施例中，依照不同的調整電路產生脈寬調製控制信號，詳細情況在下文中描述。調製控制信號發送到電平移位器220以提高調製控制信號的電壓，從而可以驅動電晶體T1使其在導通狀態和關斷狀態來迴轉換。通過採用電壓級轉換器220把驅動器增加進電晶體T1，可以使電晶體T1做得更小，從而節省空間。
此情形將解決產生調頻控制信號的調整電路的控制操作。如果升壓電路200的輸出電壓下降到期望值以下，調整電路222就能感知這種電壓下降。為對感知到輸出電壓下降作出反應，調整電路222通過提高調製信號的頻率來增加傳輸到輸出電容器C2的充電電荷率。上述操作增加了升壓電路200輸出端的電壓，從而補償了此輸出端電壓的初始下降。另一方面，假如升壓電路200的輸出電壓升高到期望電壓之上，那麼調整電路222也能感知電壓的升高，同樣，為對電壓升高超出規定值作出反應，通過降低調製信號的頻率來減少傳輸到輸出電容器C2的充電電荷率。上述操作降低了升壓電路200輸出端的電壓，從而補償了此輸出端電壓的初始升高。
此情形將解決產生脈寬調製控制信號的調整電路的控制操作。如果升壓電路200的輸出電壓下降到期望值以下，調整電路222就能感知這種電壓下降。為對感知到輸出電壓下降作出反應，調整電路222通過提高調製信號的佔空因數來增加傳輸到輸出電容器C2的電荷包大小。上述操作增加了升壓電路200輸出端的電壓，從而補償了輸出端電壓的初始下降。另一方面，假如升壓電路200的輸出電壓升高到期望電壓之上，那麼調整電路222也能感知電壓的升高，同樣，為對電壓升高超出規定值作出反應，通過降低調製信號的佔空因數來減小傳輸到輸出電容器C2的電荷包大小。上述操作降低了升壓電路200輸出端的電壓，從而補償了此輸出端電壓的初始升高。
如果脈寬調製控制信號的佔空因數大致維持在75％的話，直流電壓升壓電路200能達到最高操作效率，這一點已經得到確認。如果佔空因數大大低於75％，那麼將在電感器中存儲較少的能量，這是因為允許電流流經電感器的時間變得更短了。如果佔空因數大大高於75％，那麼就沒有足夠的時間使得存儲的能量轉移到輸出電容。當控制信號具有最優佔空因數時，直流電壓升壓電路200能夠獲得大約70％的效率，該效率大大高於已有升壓電路技術5％～11％的效率。
圖3圖示了根據本發明的產生、多級輸出電壓的典型直流電壓升壓電路300的結構/示意圖。升壓電路300包括了產生第一輸出電壓(即輸出電壓1，例如6伏特)的一個第一升壓電路，而第一升壓電路包含開關電晶體T1，二極體D1，輸出電容器C2，電晶體T2以及調整電路322。升壓電路300還包括了產生第二輸出電壓(即輸出電壓2，例如1.55伏特)的一個第二升壓電路，而第二升壓電路包含開關電晶體T2，開關344，二極體D2，輸出電容器C3，調整電路342以及電平移位器340。此外，升壓電路300還進一步包括第一、第二升壓電路所公用的一個感應電荷泵310和一個電容器C1。
第一、第二升壓電路的操作，與上文論述的圖2所示的直流電壓升壓電路200的操作方式相似。當電晶體T1導通後，較低電壓升壓電路通過開關344來隔離輸出電壓2。也就是說，當電晶體T1導通時，開關344關斷。而當電晶體T1處於關斷時段，電晶體T2則導通。
圖4圖示了根據本發明的、產生多級輸出電壓的另一個典型直流電壓升壓電路400的結構/示意圖。升壓電路400包括了產生第一輸出電壓(即輸出電壓1，例如6伏特)的一個第一升壓電路，而第一升壓電路包含二極體D1，輸出電容器C1，電晶體T2以及調整電路422。升壓電路400也包括了產生第二輸出電壓(即輸出電壓2，例如1.55伏特)的一個第二升壓電路，而第二升壓電路包含開關444，二極體D2，輸出電容器C2，以及調整電路442。此外，升壓電路400還包括第一、第二升壓電路所公用的一個輸入電容器C，一個感應電荷泵L，一個開關電晶體T1和一個時鐘邏輯462。
第一、第二升壓電路的操作，與上文論述的圖2所示的直流電壓升壓電路200的操作方式相似。調整電路422的6伏特電壓輸出端和1.55伏特電壓輸出端提供給時鐘邏輯462。時鐘邏輯462產生一個分時多路轉換控制信號，該控制信號包括兩個來自調整電路422和442的、不同時間片的脈寬調製控制信號。分時多路轉換控制信號驅動公共開關電晶體T1。時鐘邏輯462也可以包括一個電平移位器，該移位器利用輸出端1的電壓來增加開關電晶體T1的驅動，從而可以使開關電晶體T1做得更小—正如上文所述。
在操作過程中，在分時多路轉換控制信號的第一相期間，由輸出端1調製電路422產生的脈寬調製控制信號驅動開關電晶體T1以使其在輸出端1產生期望電壓(例如，6伏特)。而在分時多路轉換控制信號的第一相期間，通過關斷開關444把較低電壓輸出端2從跨越電晶體T1所產生的較高電壓中隔離出來。在分時多路轉換控制信號的第二相期間，由輸出端2調製電路422產生的脈寬調製控制信號驅動開關電晶體T1以使其在輸出端2產生期望電壓(例如，1.55伏特)。而在分時多路轉換控制信號的第二相期間，通過導通開關444把感應泵和開關電晶體耦合到輸出端2。
調整電路422和442接收一個時鐘脈衝CLK2以從中產生各自的脈寬調製控制信號。由於開關444在一個脈寬調製信號周期只能處於導通，而在另一個脈寬調製信號周期只能處於關斷，所以它可以採用具有CLK2頻率的一半的時鐘脈衝CLK1來定時。同樣，由於時鐘邏輯電路462必須在兩個脈寬調製信號之間進行轉換，所有它也可以由時鐘脈衝CLK1來定時。
圖5A圖示了根據本發明的、與直流電壓升壓電路相結合的另一個典型集成電路500的俯視圖。集成電路500包括一個集成電路組件502，組件502包括多個用於連接外部電路的引線。集成電路500進一步包括一個集成電路晶片506，該晶片506位於集成電路組件502的組件內部邊界504中。本例子中，晶片506結合了部分上文描述的直流電壓升壓電路510。多個引線連接器或其他適合的連接器件將該晶片電路連接到那些組件引線上。一個輸入電容器512，一個電感器514和/或上文描述的直流電壓升壓電路的輸出電容器516位於組件內部邊界504中的晶片506的外部。這些元件可以位於鄰近組件內部邊界504中的晶片506的一側，如圖5A所示，或者也可以位於晶片506的頂部。多個引線連接器或其他適合的連接器件將輸入電容器512，電感器514和/或直流電壓升壓電路的輸出電容器516連接到升壓電路510的剩餘部分。
把輸入電容器512，電感器514和/或直流電壓升壓電路的輸出電容器516合併於集成電路組件500之中但又處於晶片506之外，這樣做具有多個優點。首先，三個元件512，514和516置於晶片504之外可以大大節省晶片中的空間。第二，通過把電感器514置於晶片506之外，可以大大提高直流電壓升壓電路的效率。其中一個原因在於外部電感器514可以由一個磁性基片做成，該磁性基片具有能夠獲得較高電感和較高電流承載能力的三維電導螺線。這兩個特點改善了直流電壓升壓電路的效率。第三，通過把輸入電容器512，電感器514和/或輸出電容器516合併入集成電路組件502，直流電壓升壓電路就能在集成電路組件502中自含，而無需外部連接這些元件。
圖5B圖示了根據本發明的、與直流電壓升壓電路相結合的另一個典型集成電路550的俯視圖。集成電路550與集成電路500(圖5A)相似，相似之處在於它包括一個集成電路組件552和一個集成電路晶片556，晶片556包括了位於組件552的內部邊界554中的直流電壓升壓電路560的一部分。集成電路550與集成電路500的不同之處在於550中輸入電容器，電感器和輸出電容器中至少兩個可以併入集成基片558，而不是圖5A所示的三個元件都相互分離。該特點可以使得集成電路550的裝配更加容易並可能很大程度上降低生產成本和時間。
圖6圖示了根據本發明的一個典型電子元件600的結構圖。電子元件600可以是任何電子元件，包括集成電路，電路板，模塊，和/或又包含多個電路，比如電路1-3(602，604和606)的，子模塊，而電路1-3中的每個電路在該元件中實現特定的任務。電路1-3(602，604和606)需要特定的電源電壓來操作，比如電路1(602)需要5伏特電壓，電路2(604)需要3伏特，電路3(606)需要1伏特。電子元件600也包括多個直流電壓升壓電路，比如直流電壓升壓電路1-3(608，610和612)，而這些升壓電路把適當的電源電壓輸出1-3(例如，5伏特，3伏特和1伏特)分別提供給電路1-3(602，604和606)。直流電壓升壓電路1-3(608，610和612)接收一個公共輸入電壓用於產生各自的輸出電壓1-3。
電子元件600的一個優點在於元件的輸入電壓是可變的，而元件中的不同電路1-3通過使用根據本發明的直流電壓升壓電路1-3(608，610和612)可以把適當的電壓維持在幾乎恆定的常數。例如，輸入電壓的變化範圍可以從低至1伏特到高至3伏特。輸入電壓的變化可能是源於電池電能的降低或者其他因素，比如線路變化等等。儘管電子元件600的輸入電壓可以能改變，但是直流電壓升壓電路1-3(608，610和612)分別供給電路1-3(602，604和606)的電壓輸出仍然能夠維持幾乎恆定，以用於在上述電路中的適當操作。
圖7A圖示了根據本發明的、用於感應升壓泵702的典型調整電路700的一個結構/示意圖。調整電路700從升壓泵702中接收輸出電壓，並且輸出一個脈寬調製控制信號，用以驅動升壓泵702的開關電晶體—正如上文中的直流電壓升壓電路200，300和400所述。在該典型實施例中，調整電路700包括含有電阻R1和R2的一個電壓分壓器704，一個差分放大器706，一個第一比較器708，一個多路轉換器710，一個斜波發生器714，一個脈寬調製器716，一個第二比較器718，一個反相器720，一個與門722和一個高電壓電平移位器724。
在操作過程中，升壓泵702的輸出電壓施加到電壓分壓器704，以產生一個較低比例的反饋電壓Vf。反饋電壓Vf施加到差分放大器706以產生一個調製電壓refbias，該調製電壓成比例於Vf和參考電壓ref12的差分。電壓refbias充當脈寬調製器716的調製信號。參考電壓設定了升壓泵的輸出電壓。
調製電壓refbias施加到第一比較器708，以與另一個參考電壓ref675進行比較。第一比較器708為多路轉換器710產生一個輸入篩選信號compoutl。如果調製電壓refbias高於參考電壓ref675，那麼篩選信號compoutl引發多路轉換器710輸出調製電壓refbias。另一方面，假如調製電壓refbias低於參考電壓ref675，那麼篩選信號compoutl引發多路轉換器710輸出參考電壓ref675，並把該輸出電壓充當調製信號。從而能夠確保施加到脈寬調製器716的調製信號不低於脈寬調製器716的門檻電壓。
來自多路轉換器710的調製信號refbias，連同斜波發生器714所產生的三角波信號一起施加到脈寬調製器716。斜波發生器714本質上集成了一個方波時鐘信號來產生三角波信號。脈寬調製器716是一個比較器，它把調製信號refbias與三角波信號進行比較。脈寬調製器716的輸出是一個脈衝調製信號Pwm，信號Pwm經調製信號refbias調製，而調製信號refbias的變化則與升壓器的輸出電壓成比例。
圖7B圖示了根據本發明的、涉及調整電路700的脈寬調製處理的波形。所示的波形是輸入到斜波發生器714的時鐘波形，與三個典型用於調製信號refbias的電壓電平相疊加的三角波形，以及對應於三個典型調製信號電平的相應輸出脈衝調製信號。
如先前所描述，方波時鐘信號由斜波發生器714集成來形成三角波，如圖7B所示。三角波施加到脈寬調製器比較器716的正極輸入端，而調製信號refbias則施加到比較器716的負極輸入端。如果在任何給定時刻三角波的電壓比調製信號refbias要高，那麼比較器716就產生一個幾乎恆定的、相對較高的電壓。反之，假如在任何給定時刻三角波的電壓比調製信號refbias要低，那麼比較器716就產生一個幾乎恆定的、相對較低的電壓，優選為接近0伏特。
因而，如圖7B所示，調製信號電壓refbias越高，脈寬調製信號Pwm的脈衝寬度就越窄。反之，調製信號電壓refbias越低，脈寬調製信號Pwm的脈衝寬度就越寬。從而，調製信號Pwm的佔空因數就由調製信號refbias來調製，並隨著升壓器輸出電壓的變化而變化。因此，當升壓器輸出電壓下降時，脈衝調製信號的佔空因數就會增加。上述操作引起開關電晶體導通一段較長時間，並因此使得更多的能量轉移到升壓器702的輸出電容器。這將提高升壓器的輸出電壓來補償其初始電壓降落。反之，當升壓器輸出電壓上升時，脈衝調製信號的佔空因數就會下降。上述操作引起開關電晶體導通一段較短時間，並因此使得較少的能量轉移到升壓器702的輸出電容器。這將降低升壓器的輸出電壓來補償其初始電壓降落。
重新參考圖7A，來自脈寬調製器716的脈寬調製信號Pwm施加到與門722的一個輸入端。第二個比較器718將調製電壓refbias與參考電壓ref12進行比較，如果參考電壓ref12比調製電壓refbias高，那麼通過反相器720向與門722產生一個啟動信號(enabling signal)。反之，如果調製電壓refbias比參考電壓ref12高，那麼向與門722產生一個禁止信號(disabling signal)。如果調製電壓refbias比參考電壓ref12高，那麼上述操作就會禁止調整電路700。上述操作可以在所有過程偏斜和溫度角度防止升壓器的輸出電壓超出期望電壓(例如6伏特)150毫伏特。脈寬調製電壓refbias施加到高電壓電平移位器724(當與門722處於啟動狀態時)使其提高到足夠高的電平以驅動升壓器泵702的開關電晶體。電平移位器724採用升壓器的輸出電壓來完成上述電壓轉換。
圖8A圖示了根據本發明的、用於調整感應升壓泵的輸出電壓的另一個典型調整電路800的結構/示意圖。調整電路800接收該升壓泵802的輸出電壓並提供一個脈寬調製控制信號用以驅動升壓泵802的開關電晶體，如上文中直流電壓升壓電路200，300和400所描述。在該典型實施例中，調整電路800包括一個分壓器804，一個偏差發生器806，一個斜波發生器808，一個脈寬調製比較器810和一個高電壓電平移位器812。斜波發生器808，依次包括一個傳輸門814，一個電容器816，一個反相器818和一個電晶體820。
在操作過程中，升壓泵802的輸出電壓施加到分壓器804以產生一個較低比例的反饋電壓Vfb。反饋電壓Vfb施加到偏差發生器806，偏差發生器806是一個低增益差分放大器。偏差發生器806產生隨著反饋電壓Vfb和參考電壓ref1差分的變化而變化的互補正偏差(pbias)輸出和負偏差(nbias)輸出。參考電壓ref1用來設定升壓泵802的輸出電壓，使其達到預期的電壓電平。
正偏差(pbias)輸出和負偏差(nbias)輸出分別施加到傳輸門814的互補p-極門和n-極門。具有大約75％佔空因數的時鐘信號，施加到傳輸門814。傳輸門814與電容器816相結合來操作集成時鐘信號形成一個鋸齒波Ramp。鋸齒波Ramp的上升時間與傳輸門814的導通程度呈反比變化，這是升壓泵802的輸出電壓的一個功能。當時鐘變低時，反相器818與電晶體820相結合對電容器816進行放電。
鋸齒波Ramp施加到脈寬調製比較器810的正輸入端。比較器810將鋸齒波Ramp與幾乎恆定的參考電壓Ref2進行比較。根據比較器810所作出的比較，比較器810產生一個脈衝調製控制信號Pwm_clk，信號Pwm_clk的佔空因數隨著升壓泵802的輸出電壓的變化呈相反變化。脈衝調製控制信號驅動升壓泵802的電晶體開關。
圖8B圖示了根據本發明的、涉及調整電路800的脈寬調製處理的波形。所示的波形是輸入到斜波發生器808的時鐘波，與幾乎恆定的參考電壓Ref2相疊加的升壓泵的三個不同輸出電壓相對應的三個鋸齒波Ramp，以及所形成的脈寬調製控制信號Pwm_clk。由於鋸齒波Ramp施加到比較器810的正極輸入端，而參考電壓Ref2施加到比較器的負極輸入端，所以當鋸齒波Ramp比參考電壓Ref2高時，比較器810就產生一個相對較高的輸出電壓，同時，當鋸齒波Ramp比參考電壓Ref2低時，比較器810就產生一個相對較低的輸出電壓。
因而，如圖8B所示，脈寬調製信號的脈衝寬度是一個鋸齒波Ramp比參考電壓Ref2高的時間函數。由於鋸齒波Ramp的斜率與升壓泵802的輸出電壓呈反向變化，升壓泵的輸出電壓越高，則鋸齒波Ramp大於參考電壓Ref2的時間越少，因此所形成的脈衝調製信號的脈衝寬度也越小。反之，升壓泵的輸出電壓越低，則鋸齒波Ramp大於參考電壓Ref2的時間越多，因此所形成的脈衝調製信號的脈衝寬度也越大。因而，脈寬調製信號的佔空因數與升壓泵的輸出電壓呈反向變化。
脈寬調製信號Pwm_clk施加到高電壓電平移位器，使脈衝調製信號電壓提高到足夠高的電平以驅動升壓泵802的開關電晶體。脈寬調製信號Pwm_clk調整升壓泵802以便產生一個幾乎恆定的期望輸出電壓。調整過程如下當升壓器的輸出電壓下降時，就增加脈衝調製信號Pwm_clk的佔空因數。該操作引起開關電晶體導通一個較長的時間，從而使得更多的能量轉移到升壓泵802的輸出電容器。這就提高了升壓器的輸出電壓從而補償了初始電壓就下降。反之，當升壓器的輸出電壓上升時，就降低脈衝調製信號Pwm_clk的佔空因數。該操作引起開關電晶體導通一個較短的時間，從而使得較少的能量轉移到升壓泵802的輸出電容器。這就降低了升壓器的輸出電壓從而補償了初始電壓的上升。
圖9A圖示了根據本發明的、用於調整感應升壓泵902的輸出電壓的再另一個典型調整電路900的結構/示意圖。調整電路900接收升壓泵902的輸出電壓並提供一個脈寬調製控制信號以驅動升壓泵902的開關電晶體，如上文中直流電壓升壓電路200，300和400所描述。在該典型實施例中，調整電路900包括一個分壓器904，一個比較器906，一個3位計數器908，一個邏輯電路910和一個高電壓電平移位器912。
在操作過程中，升壓泵902的輸出電壓施加到分壓器904以產生一個較低比例的反饋電壓Vfb。反饋電壓Vfb施加到比較器906的正輸入端，比較器906將反饋電壓Vfb與參考電壓ref進行比較如果反饋電壓Vfb比參考電壓ref高，那麼將產生一個相對較高的電壓；如果反饋電壓Vfb比參考電壓ref低，那麼將產生一個相對較低的電壓。參考電壓ref用來設定升壓泵902的輸出電壓，使其達到預期的電壓電平。
比較器輸出施加到3位設計數器908的復位輸入端。時鐘信號驅動3位計數器908從二進位0到二進位7之間重複計數，並且在輸出端Bit0，1，2(Bit2為該計數值最低有效位，Bit0為該計數值最高有效位)產生計數值。計數器輸出端施加到邏輯電路，邏輯電路根據圖9B所示的真值表產生一個脈寬調製信號Pwm_clk。也就是說，為計數值1-6產生一個高電平，為計數值0和7產生一個低電平。
圖9C圖示了涉及根據本發明的、調整電路900的脈寬調製處理的波形。計數值周期性地從二進位0到二進位7來回變化。時鐘引發3位計數器908以每一個時鐘脈衝(前沿或後沿)來增加計數值。邏輯電路910產生的脈寬調製信號用於二進位輸入1-6是高電平，而用於二進位輸入0和7是低電平。當復位信號為高電平時，施加到3位計數器的復位輸入端的信號就引發計數器產生一個0計數值，從而引發脈衝調製信號Pwm_clk變成低電平，或者，如果復位信號仍然是高電平的話，Pwm_clk繼續維持低電平。脈衝調製信號Pwm_clk施加到高電壓電平移位器912以使其能量提高到足夠高的電平用以驅動升壓泵902的開關電晶體。
升壓泵902的調整操作如下正常操作過程中，輸出電壓基本處在所期望的輸出電壓範圍之內，復位信號就保持低電平，即反饋電壓Vfb比參考電壓ref低。由於已經判定在佔空因數為75％左右的時候升壓泵能獲得最高效率，所以3位計數器的純粹循環(mere cycling)產生具有75％佔空因數的脈衝調製信號Pwm_clk。那是因為，隨著計數器周期從二進位0到二進位7循環就具有6個高位狀態和2個低位狀態(見圖9B)。如果升壓器輸出電壓超過所預期的電壓，那麼反饋電壓Vfb將超過參考電壓ref，從而引發了比較器906產生一個高電平復位信號。高電平復位信號引發計數器908進行復位，又依次超前引發了脈衝調製信號變為低電平。這就減少了脈衝調製信號的佔空因數，從而使得升壓器的輸出電壓下降以補償初始電壓的上升。
所描述的調整電路可用於調整文中所述的感應直流電壓升壓電路的輸出電壓。此外，也可以用於諸如前面所述的電容電荷泵升壓電路等等的其他直流電壓升壓電路輸出電壓的調整。
在上述的說明中，結合了特定的實施例對本發明進行描述。然而，顯然可以對其作出不同的修改而不會背離本發明更廣泛的宗旨和範圍。文中的說明和附圖，因此應當理解為是本發明的示例說明而非限制性內容。
權利要求
1.一個升壓電路包括一個感性元件；一個開關設備，該開關設備響應控制信號以利用輸入電壓來周期性引發電流流經所述感性元件，其中所述感性元件在每次電流流過時儲存一定量的能量；一個容性元件，該容性元件以輸出電壓的形式對儲存在所述感性元件中的、多種所述一定量的能量進行累積；以及一個用於產生所述控制信號以調整所述輸出電壓的調整電路。
2.權利要求1的升壓電路，其中所述感性元件包括一個電感器。
3.權利要求1的升壓電路，其中所述開關設備包括一個電晶體。
4.權利要求3的升壓電路，其中所述電晶體包括一個場效應電晶體。
5.權利要求3的升壓電路，其中所述電晶體包括一個雙極型電晶體。
6.權利要求1的升壓電路，其中所述容性元件包括一個電容器。
7.權利要求1的升壓電路，其中所述控制信號周期的頻率與所述輸出電壓呈反向變化。
8.權利要求1的升壓電路，其中所述控制信號周期的佔空因數與所述輸出電壓呈反向變化。
9.權利要求1的升壓電路，進一步包括一個二極體以阻止所述容性元件通過所述開關元件放電。
10.權利要求1的升壓電路，進一步包括一個把所述開關設備和所述調整電路相結合的集成電路晶片；以及一個用來組裝所述集成電路晶片、所述感性元件和所述容性元件的集成電路組件，其中所述感性元件和/或容性元件置於所述集成電路晶片的外部。
11.權利要求10的升壓電路，其中所述感性元件和/或容性元件放置在所述集成電路組件的內部邊界裡面鄰近於集成電路晶片之處。
12.權利要求10的升壓電路，其中所述感性元件和/或容性元件布置在所述集成電路晶片的上面。
13.一種方法，包括利用輸入電壓周期性產生流經感性元件的電流，其中所述感性元件在每次電流流過時儲存一定量的能量；以輸出電壓的形式對多種所述一定量的能量進行累積；以及對周期性產生的、流經所述感性元件的電流進行控制，以獲取一個所期望的電壓電平以用於所述輸出電壓。
14.權利要求13的方法，其中所述產生的電流包括周期性導通開關元件來產生的、流經感性元件的所述電流。
15.權利要求14的方法，其中所述開關元件包括一個電晶體。
16.權利要求15的方法，其中所述電晶體包括一個場效應電晶體。
17.權利要求15的方法，其中所述電晶體包括一個雙極型電晶體。
18.權利要求13的方法，其中所述感性元件包括一個電感器。
19.權利要求13的方法，其中所述累積由客性元件來實現。
20.權利要求13的方法，其中所述控制包括產生一個由所述輸出電壓調製的控制信號。
21.權利要求20的方法，其中所述控制信號是由所述輸出電壓調製的調頻信號。
22.權利要求20的方法，其中所述控制信號是由所述輸出電壓調製的脈寬調製信號。
23.一個存儲器電路，包括存儲單元陣列；以及為所述存儲單元陣列產生編程，擦除和/或讀電壓的升壓電路又包括一個感性元件；一個開關設備，該開關設備響應控制信號以利用輸入電壓來周期性引發電流流經所述感性元件，其中所述感性元件在每次電流流過時儲存一定量的能量；一個容性元件，該容性元件以輸出電壓的形式對儲存在所述感性元件中的、多種所述一定量的能量進行累積；以及一個用於產生所述控制信號以調整所述輸出電壓的調整電路。
24.權利要求23的存儲器電路，其中所述感性元件包括一個電感器。
25.權利要求23的存儲器電路，其中所述開關設備包括一個電晶體。
26.權利要求25的存儲器電路，其中所述電晶體包括一個場效應電晶體。
27.權利要求25的存儲器電路，其中所述電晶體包括一個雙極型電晶體。
28.權利要求23的存儲器電路，其中所述容性元件包括一個電容器。
29.權利要求23的存儲器電路，其中由所述調整電路產生的所述控制信號是由所述電壓調製的調頻信號。
30.權利要求23的存儲器電路，其中由所述調整電路產生的所述控制信號是由所述電壓調製的脈寬調製信號。
31.權利要求23的存儲器電路，進一步包括一個二極體以阻止所述容性元件通過所述開關元件放電。
32.權利要求23的存儲器電路，進一步包括一個與所述開關設備和所述調整電路相結合的集成電路晶片；以及一個用來組裝所述集成電路晶片、所述感性元件和所述容性元件的集成電路組件，其中所述感性元件和/或容性元件置於所述集成電路晶片的外部。
33.權利要求32的存儲器電路，其中所述感性元件和/或容性元件放置在所述集成電路組件的內部邊界裡面鄰近於集成電路晶片之處。
34.權利要求32的存儲器電路，其中所述感性元件和/或/容性元件布置在所述集成電路晶片的上面。
35.一個升壓電路，包括一個感性元件；一個第一開關設備，該第一開關設備響應第一控制信號以利用輸入電壓來周期性引發電流流經所述感性元件，其中所述感性元件在每次電流流過時儲存一定量的能量；一個第一容性元件，該第一容性元件以第一輸出電壓的形式對儲存在所述感性元件中的、多種所述一定量的能量進行累積；以及一個用於產生所述第一控制信號以調整所述第一輸出電壓的第一調整電路；一個第二開關設備，該第二開關設備響應第二控制信號以利用輸入電壓來周期性引發電流流經所述感性元件，其中所述感性元件在每次電流流過時儲存一定量的能量；一個第二容性元件，該第二容性元件以第二輸出電壓的形式對儲存在所述感性元件中的、多種所述一定量的能量進行累積；以及一個用於產生所述第二控制信號以調整所述第二輸出電壓的第二調整電路；
36.權利要求35的升壓電路，其中所述感性元件包括一個電感器。
37.權利要求35的升壓電路，其中所述第一、第二開關設備分別包括一個電晶體。
38.權利要求37的升壓電路，其中所述電晶體包括一個場效應電晶體。
39.權利要求37的升壓電路，其中所述電晶體包括一個雙極型電晶體。
40.權利要求35的升壓電路，其中所述第一、第二容性元件分別包括一個電容器。
41.權利要求35的升壓電路，其中所述第一和/或第二控制信號周期的頻率分別與所述第一和/或第二輸出電壓呈反向變化。
42.權利要求35的升壓電路，其中所述第一和/或第二控制信號周期的佔空因數分別與所述第一和/或第二輸出電壓呈反向變化。
43.權利要求35的升壓電路，進一步包括第一和/或第二二極體分別用以阻止所述第一和/或第二容性元件分別通過所述第一和/或第二開關元件放電。
44.權利要求35的升壓電路，進一步包括一個與所述第一和第二開關設備以及所述第一和第二調整電路相結合的集成電路晶片；以及一個用來組裝所述集成電路晶片、所述感性元件以及所述第一和第二容性元件的集成電路組件，其中所述感性元件和/或所述第一和第二容性元件置於所述集成電路晶片的外部。
45.權利要求44的升壓電路，其中所述感性元件和/或所述第一和第二容性元件放置在所述集成電路組件的內部邊界裡面鄰近於集成電路晶片之處。
46.權利要求44的升壓電路，其中所述感性元件和/或所述第一和第二容性元件布置在所述集成電路晶片的上面。
47.一個升壓電路，包括一個感性元件；一個開關設備，該開關設備響應第一和第二控制信號以利用輸入電壓來周期性引發電流流經所述感性元件，其中所述感性件在每次電流流過時儲存一定量的能量；一個第一容性元件，該第一容性元件以第一輸出電壓的形式對儲存在所述感性元件中的、多種所述一定量的能量進行累積，其中所述累積的能量形成第一輸出電壓；一個用於產生所述第一控制信號以調整所述第一輸出電壓的第一調整電路；一個第二容性元件，該第二容性元件根據所述第二控制信號以對存儲在所述開關設備引發的所述感性元件中的、多種所述一定量的能量進行累積，其中所述累積的能量形成第二輸出電壓；以及一個用於產生所述第二控制信號以調整所述第二輸出電壓的第二調整電路。
48.權利要求47的升壓電路，進一步包括一個產生分時多路控制信號的多路轉換器，該分時多路控制信號包括在不同時間片的所述第一和第二控制信號，所述開關設備響應所述分時多路轉換信號以引發流經感性元件的所述周期性電流。
49.權利要求47的升壓電路，其中所述感性元件包括一個電感器。
50.權利要求47的升壓電路，其中所述開關設備分別包括一個電晶體。
51.權利要求50的升壓電路，其中所述電晶體包括一個場效應電晶體。
52.權利要求50的升壓電路，其中所述電晶體包括一個雙極型電晶體。
53.權利要求47的升壓電路，其中所述第一、第二容性元件分別包括一個電容器。
54.權利要求47的升壓電路，其中所述第一和/或第二控制信號周期的頻率分別與所述第一和/或第二輸出電壓呈反向變化。
55.權利要求47的升壓電路，其中所述第一和/或第二控制信號周期的佔空因數分別與所述第一和/或第二輸出電壓呈反向變化。
56.權利要求47的升壓電路，進一步包括第一和/或第二二極體分別用以阻止所述第一和/或第二容性元件通過所述第二開關元件放電。
57.權利要求47的升壓電路，進一步包括一個把所述開關設備與所述第一和第二調整電路相結合的集成電路晶片；以及一個用來組裝所述集成電路晶片、所述感性元件以及所述第一和第二容性元件的集成電路組件，其中所述感性元件和/或所述第一和第二容性元件置於所述集成電路晶片的外部。
58.權利要求57的升壓電路，其中所述感性元件和/或所述第一和第二容性元件放置在所述集成電路組件的內部邊界裡面鄰近於集成電路晶片之處。
59.權利要求57的升壓電路，其中所述感性元件和/或所述第一和第二容性元件布置在所述集成電路晶片的上面。
全文摘要
一個能提高效率的直流電壓升壓電路。直流電壓升壓電路包括一個感性元件，一個開關設備，一個輸出容性元件和一個調整電路。開關設備根據控制信號周期性地引發電流流經感性元件。每一次開關設備引發電流流過感性元件時，感性元件就存儲能量。當開關設備阻止電流流向感性元件時，存儲在感性元件中的能量就轉移到輸出容性元件中。容性元件對存儲在感性元件中的能量以電荷的形式進行積累，以形成輸出電壓，並以產生控制信號用於此開關設備使輸出電壓能夠得到調製。控制信號可以是調頻信號或者脈寬調製信號。也公開了一個集成電路，包括一個集成電路組件，一個結合開關設備和調整電路的晶片，其中感性和客性元件置於集成電路組件以內，但在晶片外部。
文檔編號G11C5/14GK1483204SQ01814712
公開日2004年3月17日 申請日期2001年6月1日 優先權日2000年6月30日
發明者J·雅萬尼法爾德, P·瓦利姆貝, R·弗爾英格, J 申請人:英特爾公司