CN102263500B - 电荷泵电路 - Google Patents

Abstract

一种电荷泵电路，包括时钟振荡单元、第一时钟驱动单元、第二时钟驱动单元、升压单元、驱动控制单元以及电压比较单元，其中：时钟振荡单元基于电压比较单元提供的反馈电压形成第一控制电压，并将所述第一控制电压分别提供给第一时钟驱动单元及第二时钟驱动单元；驱动控制单元接收电压比较单元提供的反馈电压，基于所述反馈电压形成用于控制第二时钟驱动单元开关状态的第二控制电压；第一时钟驱动单元基于所述第一控制电压形成第一驱动电压，并提供给升压单元；第二时钟驱动单元基于第二控制电压确定其开关状态，在处于开启状态时，基于第一控制电压形成第二驱动电压，并提供给升压单元。本发明的电荷泵电路减小了输出电压纹波，并降低了功耗。

Description

电荷泵电路

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，更具体地，本发明涉及电荷泵电路。

背景技术

近年来，在半导体存储器迅速发展的过程中，由于DRAM(动态随机存储器)、EEPROM(电可擦除可编程存储器)、FLASH(快闪存储器)等先进存储器具有高密度、低功耗和低价格的优点，其已经成为了计算机、移动通信终端中普遍采用的存储装置。

半导体存储器中，电荷泵电路是提供高压的电路模块，存储***利用电荷泵电路输出的高幅值电压将数据信息写进存储模块中。申请号为200810183600的中国专利申请即公布了一种电荷泵电路，所述电荷泵电路通过一对相位相反的非重叠时钟驱动来切换升压单元中存储电荷的电容器件，从而实现电压的泵升。

图1是现有技术电荷泵电路的示意图。所述电荷泵电路包括：时钟振荡单元101、时钟驱动单元103、升压单元105以及电压比较单元107，其工作原理为：电荷泵电路启动，升压单元105输出的升压电压被提供给电压比较单元107，所述电压比较单元107将升压电压与电荷泵电路需要达到的目标电压进行比较；基于所述升压电压与目标电压的比较结果，电压比较单元107输出反馈电压以控制时钟振荡单元101的工作。

具体地说，如果升压电压小于目标电压，则电压比较单元107输出的反馈电压为第一电平，所述第一电平的反馈电压被送到时钟振荡单元101的输入端，使得时钟振荡单元101输出的控制电压为周期振荡信号，所述周期振荡信号提供给时钟驱动单元103，形成一对相位相反的非重叠的时钟驱动电压，所述相位相反的时钟驱动电压驱动升压单元105持续升压；

而如果升压电压超过目标电压，则电压比较单元107输出的反馈电压为第二电平，所述第二电平的反馈电压被送到时钟振荡单元101的输入端，使得时钟振荡单元101停止振荡，输出的控制电压为无效控制信号，所述无效控制信号无法让时钟驱动单元103形成相位相反的时钟驱动电压，升压单元105停止升压。

理论上，当升压单元输出的升压电压超过目标电压后，时钟振荡单元101应停止振荡，输出无效控制信号。然而，在实际电路中，电压比较单元107至升压单元105的输入端的路径存在路径延迟，在升压电压超过目标电压后，由于所述路径延迟，时钟驱动单元103输出端仍会维持一段时间的周期振荡的时钟驱动电压；所述暂时存在的时钟驱动电压控制升压单元105继续工作，短时间内升压电压仍然继续上升，所述升压电压的继续上升会使得升压电压中包含不必要的电压纹波，而如果纹波的电压幅值变化过大，则会造成存储器操作的不稳定，影响数据写入的稳定性及器件的可靠性。

发明内容

本发明提供一种电荷泵电路，降低电荷泵电路的输出电压在达到目标电压后继续升压的幅度，从而减小电压纹波，避免因输出电压不稳定而引起的误操作问题。

为解决上述问题，本发明提供了一种电荷泵电路，包括时钟振荡单元、第一时钟驱动单元、第二时钟驱动单元、升压单元、驱动控制单元以及电压比较单元，其中：

时钟振荡单元基于电压比较单元提供的反馈电压形成第一控制电压，并将所述第一控制电压分别提供给第一时钟驱动单元及第二时钟驱动单元；

驱动控制单元接收电压比较单元提供的反馈电压，基于所述反馈电压形成用于控制第二时钟驱动单元开关状态的第二控制电压；

第一时钟驱动单元基于所述第一控制电压形成第一驱动电压，并提供给升压单元；

第二时钟驱动单元基于第二控制电压确定其开关状态，在处于开启状态时，基于第一控制电压形成第二驱动电压，并提供给升压单元；

升压单元基于第一时钟驱动单元提供的第一驱动电压以及第二时钟驱动单元提供的第二驱动电压，泵升升压电压并输出至电压比较单元；

电压比较单元对升压电压与目标电压进行比较，基于所述比较结果向时钟振荡单元、驱动控制单元提供反馈电压。

相应的，本发明还提供了一种上述电荷泵电路的驱动方法，包括：

在升压电压小于目标电压的情况下，电压比较单元输出第一电平的反馈电压，所述第一电平的反馈电压控制驱动控制单元输出第三电平的第二控制电压，并使得第二时钟驱动单元正常工作，基于时钟振荡单元提供的第一控制电压生成第二驱动电压；

在升压电压超过目标电压的情况下，电压比较单元输出第二电平的反馈电压，所述第二电平的反馈电压控制驱动控制单元输出第四电平的第二控制电压，并使得第二时钟驱动单元关闭。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

将电荷泵电路中用于控制升压单元升压的时钟驱动单元分为两个部分，并设置驱动控制单元对一部分的时钟驱动单元进行控制。当电荷泵电路的输出电压达到目标电压后，所述驱动控制单元控制部分时钟驱动单元关闭，这使得升压单元输入端获得的驱动能力降低，升压单元输出的过冲电压幅度相应降低，同时，所述部分开启的时钟驱动单元也有效减少了电荷泵电路的功率消耗。

附图说明

图1是现有技术电荷泵电路的示意图。

图2是本发明实施例电荷泵电路的示意图。

图3是本发明电荷泵电路中驱动控制单元一种实施方式的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

正如背景技术部分所述，在电荷泵电路中，由于电压比较单元至升压单元输入端的路径存在路径延迟，升压单元输出的升压电压会暂时的超过目标电压，即形成过冲电压；所述过冲电压使得电荷泵电路的输出电压会发生周期性的波动，即所述输出电压中包含有电压纹波。

电荷泵电路的升压单元通常是利用电容两端电压差不能瞬时变化的特性来实现升压的，当升压单元进行升压时，其中用于存储电荷的电容两端的电压差不会瞬变。在这种情况下，将所述电容的两极板周期性的翻转，即可以使得电容两端的电压持续升高。

本发明的发明人发现，在所述升压单元中，电容的周期性翻转通常是通过模拟开关的切换来实现，而所述模拟开关的开关状态则是由时钟驱动单元输出的驱动电压控制的。因此，当升压单元的升压电压超过目标电压后，将时钟驱动单元部分关闭，降低所述时钟驱动单元的驱动能力，即可使得升压单元的模拟开关的开启速度降低，升压电压的升压速度降低，进而减小升压电压过冲的幅度。

图2是本发明实施例电荷泵电路的示意图。

如图2所示，本发明实施例电荷泵电路的电路包括时钟振荡单元201、第一时钟驱动单元203、第二时钟驱动单元204、升压单元205、驱动控制单元206以及电压比较单元207，其中：

时钟振荡单元201基于电压比较单元207提供的反馈电压形成第一控制电压，并将所述第一控制电压分别提供给第一时钟驱动单元203及第二时钟驱动单元204。

驱动控制单元206接收电压比较单元207提供的反馈电压，基于所述反馈电压形成用于控制第二时钟驱动单元204开关状态的第二控制电压。

第一时钟驱动单元203基于所述第一控制电压形成第一驱动电压，并提供给升压单元205。

第二时钟驱动单元204基于第二控制电压确定其开关状态，在处于开启状态时，基于第一控制电压形成第二驱动电压，并提供给升压单元205。

升压单元205基于第一时钟驱动单元203提供的第一驱动电压以及第二时钟驱动单元204提供的第二驱动电压，泵升升压电压并输出至电压比较单元207。

电压比较单元207对升压电压与目标电压进行比较，基于所述比较结果向时钟振荡单元201、驱动控制单元206提供反馈电压。

所述电荷泵电路的工作原理为：

电荷泵电路启动，由于升压电压小于目标电压，时钟振荡单元201输出的第一控制电压为周期振荡信号，因此，此时第一时钟驱动单元203输出的第一驱动电压以及第二时钟驱动单元204输出的第二驱动电压均为周期变化的时钟驱动信号。所述周期变化的时钟驱动信号使得升压单元205开始泵升升压电压。所述第一驱动电压与第二驱动电压均基于时钟振荡单元201提供的第一控制电压形成，所述第一驱动电压与第二驱动电压具有相同的相位与频率。在具体实施例中，所述第一时钟驱动单元203与第二时钟驱动单元可以采用线与方式连接，以实现驱动电流的并联。

所述电荷泵电路升压过程中，电压比较单元207对升压电压与目标电压进行比较，基于所述比较结果，向时钟振荡单元201以及驱动控制单元206提供反馈电压。

当升压电压仍小于目标电压时，电压比较单元207输出的反馈电压为第一电平，所述第一电平的反馈电压被送到时钟振荡单元201的输入端，使得时钟振荡单元201输出的第一控制电压为周期振荡信号，所述周期振荡信号的第一控制电压提供给第一时钟驱动单元203与第二时钟驱动单元204。所述周期振荡信号的第一控制电压控制第一时钟驱动单元203形成周期振荡的时钟驱动信号。同时，所述第一电平的反馈电压控制驱动控制单元206形成第三电平的第二控制电压，所述第三电平的第二控制电压控制第二时钟驱动单元204正常工作，基于周期振荡信号的第一控制电压形成周期振荡的时钟驱动信号。所述均为周期变化的时钟驱动信号的第一驱动电压与第二驱动电压共同驱动升压单元205持续升压。

当升压单元205经过多次的升压动作后，其输出的升压电压达到目标电压，则电压比较单元207输出的反馈电压为第二电平，所述第二电平的反馈电压被送到时钟振荡单元201，使得时钟振荡单元201停止振荡，其输出的第一控制电压应为无效控制信号，所述无效控制信号使得第一驱动电压与第二驱动电压均变为无效驱动信号，升压单元205停止升压。

但在实际工作过程中，对于时钟振荡单元201，虽然其输入端接收到了第二电平的反馈电压，但由于时钟振荡单元201的延迟，时钟振荡单元201输出端仍会维持一定时间的周期振荡信号，所述暂时存在的周期振荡信号会继续驱动第一时钟驱动单元203输出周期变化的时钟驱动信号。

所述第二电平的反馈电压还同时被送到驱动控制单元206的输入端，使得驱动控制单元206输出第四电平的第二控制电压，所述第四电平的第二控制电压使得第二时钟驱动单元204处于关闭状态。此时，第二时钟驱动单元204的输出端呈现高阻态。由于驱动控制单元206的响应速度较快，延迟较小，因此，第二时钟驱动单元204关闭速度较快，在获得第四电平的第二控制电压之后即不再输出周期变化的时钟驱动信号。

因此，在升压电压达到目标电压之后，只有第一时钟驱动单元203提供时钟驱动信号给升压单元205，与升压电压未达到目标电压时同时由第一时钟驱动单元203与第二时钟驱动单元204提供时钟驱动信号相比，驱动能力大大降低，这使得升压单元205的模拟开关的开启速度降低，升压电压的升压速度相应降低。

在具体实施例中，所述第一时钟驱动单元203与第二时钟驱动单元204的驱动能力比例为1∶3至3∶1，优选的，所述第一时钟驱动单元203与第二时钟驱动单元204的驱动能力比例为1∶1。所述电荷泵电路将用于控制升压单元升压动作的时钟驱动单元分为两个部分，当电荷泵电路的输出电压达到目标电压后，所述时钟驱动单元部分开启，另一部分关闭，因此，所述部分开启的时钟驱动单元有效降低了电荷泵电路的功率消耗。

为了更好的理解构成本发明电荷泵电路的驱动控制单元及其工作原理，接下来对本发明实施例电荷泵电路中的驱动控制单元的具体构成进行说明。但应认识到，本领域技术人员可以修改在此描述的本发明而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列的描述应当被理解为对本领域技术人员的广泛教导，而并不作为对本发明的限制。

图3是本发明电荷泵电路中驱动控制单元一种实施方式的示意图。

如图3所述，所述驱动控制单元采用边沿触发的D触发器构成，所述D触发器包括有信号输入端301(图中D端)、时钟沿输入端302(图中CLK端)、清除端303(图中RST端)及信号输出端304(图中Q端)，其中，信号输入端301接收由外接电压源提供的第四电平的电压，时钟沿输入端302接收由电压比较单元提供的反馈电压，清除端303接收由外接控制模块提供的重置信号。

所述驱动控制单元的工作原理为：当重置信号有效时，所述D触发器状态设为预设值，由信号输出端304输出第三电平的第二控制电压，所述第三电平的第二控制电压使得第二时钟驱动单元正常工作，其基于时钟振荡单元提供的第一控制电压形成第二驱动电压。

当电压比较单元输出的反馈电压由第一电平向第二电平跳变时(此时重置信号无效)，D触发器基于所述跳变的时钟沿改变状态，由信号输出端304输出由信号输入端301提供的第四电平的电压信号。所述第四电平的第二控制电压使得第二时钟驱动单元处于关闭状态，不再形成周期变化的时钟驱动信号，这使得整个电荷泵电路的时钟驱动能力降低，升压单元的升压速度相应降低。

基于D触发器的工作特性，当其清除端303的重置信号无效时，只要D触发器的时钟沿输入端302未接收到由第一电平向第二电平跳变的时钟沿，整个D触发器的状态就保持不变，其信号输出端304保持第四电平不变。因此，当所述电荷泵电路需要重新泵升电压时，需要在清除端303的重置信号设置为有效信号，使得D触发器输出第三电平的第二控制电压，从而控制第二时钟驱动单元开启，并基于第一控制电压重新输出第二驱动电压。

本发明的电荷泵电路将电荷泵电路中用于控制升压单元升压的时钟驱动单元分为两个部分，并设置驱动控制单元对一部分的时钟驱动单元进行控制。当电荷泵电路的输出电压达到目标电压后，所述驱动控制单元控制部分时钟驱动单元关闭，这使得升压单元输入端获得的驱动能力降低，升压单元输出的过冲电压幅度相应降低，同时，所述部分开启的时钟驱动单元也有效减少了电荷泵电路的功率消耗。

应该理解，此处的例子和实施例仅是示例性的，本领域技术人员可以在不背离本申请和所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，做出各种修改和更正。

Claims (5)

1.一种电荷泵电路，其特征在于，包括时钟振荡单元、第一时钟驱动单元、第二时钟驱动单元、升压单元、驱动控制单元以及电压比较单元，其中：

时钟振荡单元基于电压比较单元提供的反馈电压形成第一控制电压，并将所述第一控制电压分别提供给第一时钟驱动单元及第二时钟驱动单元；

驱动控制单元接收电压比较单元提供的反馈电压，基于所述反馈电压形成用于控制第二时钟驱动单元开关状态的第二控制电压；

第一时钟驱动单元基于所述第一控制电压形成第一驱动电压，并提供给升压单元；

第二时钟驱动单元基于第二控制电压确定其开关状态，在处于开启状态时，基于第一控制电压形成第二驱动电压，并提供给升压单元；

升压单元基于第一时钟驱动单元提供的第一驱动电压以及第二时钟驱动单元提供的第二驱动电压，泵升升压电压并输出至电压比较单元；

电压比较单元对升压电压与目标电压进行比较，基于比较结果向时钟振荡单元、驱动控制单元提供反馈电压。

2.如权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于，所述第二时钟驱动单元与第一时钟驱动单元的输出端采用线与方式连接至升压单元的输入端。

3.如权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于，所述第一时钟驱动单元与第二时钟驱动单元的驱动能力比例为1：3至3：1。

4.如权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于，所述驱动控制单元采用D触发器结构，所述D触发器包括有信号输入端、时钟沿输入端、清除端及信号输出端，其中，

信号输入端接收由外接电压源提供的第四电平的电压，时钟沿输入端接收由电压比较单元提供的反馈电压，清除端接收由外接控制模块提供的重置信号，信号输出端输出所述第二控制电压。

5.一种应用权利要求1所述的电荷泵电路的驱动方法，其特征在于，

在升压电压小于目标电压的情况下，电压比较单元输出第一电平的反馈电压，所述第一电平的反馈电压控制驱动控制单元输出第三电平的第二控制电压，并使得第二时钟驱动单元正常工作，基于时钟振荡单元提供的第一控制电压生成第二驱动电压；

在升压电压超过目标电压的情况下，电压比较单元输出第二电平的反馈电压，所述第二电平的反馈电压控制驱动控制单元输出第四电平的第二控制电压，并使得第二时钟驱动单元关闭。