DE102019209169A1 - Geregelte hochspannungsreferenz - Google Patents

Abstract

Ein Variable-Hochspannung-Ladungspumpensystem beinhaltet eine Vielzahl von ungeregelten Schaltstufen und eine Vielzahl von geregelten Schaltstufen, die in einer kaskadierten Ausgestaltung angeordnet sind. Die ungeregelten Schaltstufen empfangen ungeregelte Spannungseingangssignale und die geregelten Schaltstufen empfangen geregelte Spannungseingangssignale. Ein Verstärker erzeugt die geregelten Spannungseingangssignale, um die Ausgangsspannung auf einen gewünschten Wert zu bringen.

Description

• QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
• Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung der Serien-Nr. 62/691,597 mit dem Titel „REGULATED HIGH VOLTAGE REFERENCE“ von Morton et al., eingereicht am 28. Juni 2018, deren Offenbarung hiermit in Gänze durch Bezugnahme aufgenommen wird.
• TECHNISCHES GEBIET
• Die Offenbarung richtet sich auf Spannungsregler und insbesondere auf eine geregelte Hochspannungsreferenz.
• ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
• Viele elektronische Systeme hängen von der Verwendung von über eine gegebene Versorgungsspannung hinausgehenden angehobenen Spannungen ab. Beispielsweise können mikroelektromechanische Systeme (MEMS) angehobene Spannungen zum Vorspannen einer Testmasse verwenden, um die Empfindlichkeit eines MEMS-Sensors zu verbessern. In manchen Fällen kann eine angehobene Spannung dafür verwendet werden, einen Hochspannungstreiber zu versorgen, um Anwendung von erhöhter elektrostatischer Kraft zum Betätigen einer MEMS-Vorrichtung zu erlauben. Allerdings verbraucht Erzeugen einer genauen Hochspannungsquelle typischerweise eine beträchtliche Strommenge. Wenn die erforderliche Spannung weit über der Versorgungsspannung liegt, sind Ladungspumpen zum Hochpumpen einer chipinternen Referenz nötig. Zusätzlich ist auch ein Verstärker nötig, um genaue Regelung zu gewährleisten.
• Figurenliste
• 1 ist ein schematisches Diagramm einer variablen Ladungspumpenschaltung gemäß der vorliegenden Offenbarung.
• 2 ist ein schematisches Diagramm einer MOS-Schaltstufe.
• AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
• Zum Zweck der Förderung eines Verständnisses der Prinzipien der Offenbarung wird nun auf die in den Zeichnungen veranschaulichten und in der folgenden schriftlichen Spezifikation beschriebenen Ausführungsformen Bezug genommen. Es versteht sich, dass dadurch keine Beschränkung des Schutzumfangs der Offenbarung beabsichtigt wird. Es versteht sich weiterhin, dass die vorliegende Offenbarung jegliche Abwandlungen und Modifikationen an den veranschaulichten Ausführungsformen beinhaltet und weitere Anwendungen der Prinzipien der Offenbarung beinhaltet, wie sie einem Durchschnittsfachmann des technischen Gebiets, zu welchem diese Offenbarung gehört, normalerweise in den Sinn kommen würden.
• Die Offenbarung richtet sich auf ein genaue Hochspannungserzeugungsschaltung mit reduzierter Stromaufnahme über Prozessvariation. Die Stromaufnahme wird durch Steuern der Pumpspannung für eine feste Anzahl der Ladungspumpenzellen reduziert.
• Eine Ausführungsform eines Variable-Hochspannung-Ladungspumpensystems 100 gemäß der vorliegenden Offenbarung ist in 1 dargestellt. Das Ladungspumpensystem 100 beinhaltet eine Vielzahl von MOS-Schaltstufen 110, auch als Spannungsverdoppler bezeichnet, angeordnet in einer kaskadierten Ausgestaltung zwischen einem Spannungseingangsknoten 102 und einem Spannungsausgangsknoten 104. Das System 100 ist ausgelegt zum Empfangen eines Taktsignals (CLK) 106 und eines Invers-Takt-Signals (CLKB) 108. Die Taktsignale können auf eine beliebige geeignete Weise erzeugt werden. Jede der MOS-Schaltstufen beinhaltet einen Taktsignaleingang zum Empfangen des Taktsignals (CLK), einen Invers-Takt-Eingang zum Empfangen des Invers-Takt-Signals (CLKB) und Pumpkondensatoren.
• Eine Ausführungsform einer MOS-Schaltstufe 110, auch als ein Spannungsverdoppler bezeichnet, welcher dafür verwendet werden kann, das Ladungspumpensystem zu implementieren, ist in 2 dargestellt. Die MOS-Schaltstufe beinhaltet unter anderen Komponenten NMOS-Transistoren 165 und 170, PMOS-Transistoren 175 und 180, einen Knoten A und einen Knoten B. Ein Takteingangssignal (CLK) wird am Knoten A empfangen und ein Invers-Takt-Signal (CLKB) wird am Knoten B empfangen. Die Taktsignale können auf eine beliebige geeignete Weise erzeugt werden.
• Während des Betriebs, nach einer ansteigenden Flanke eines CLK-Signals, werden die Transistoren 165 und 170 ausgeschaltet, wohingegen die Transistoren 175 und 180 eingeschaltet werden. Transistor 175 erlaubt es dem Kondensator am Knoten B, auf eine Eingangsspannung (VIN) geladen zu werden, wohingegen Transistor 165 eine Ausgangsspannung (VOUT) gegen den Knoten B isoliert. Umgekehrt isoliert Transistor 170 die gespeicherte Ladung an Knoten A gegenüber VIN und, da Ladung konserviert wird, wenn CLK von Low auf High übergeht, ist die Spannung am Knoten A gegenüber Masse verdoppelt und wird über den Transistor 180 an VOUT übertragen. Dieselbe Operation findet an der ansteigenden Flanke des CLKB-Signals statt, wobei Transistoren 175 und 180 ausgeschaltet werden und Transistoren 170 und 165 eingeschaltet werden.
• Die Spannungsänderung, wenn das Taktsignal übergeht, muss groß genug sein, um die durch die Transistoren 170/175 und Transistoren 165/180 ausgebildeten Latches umzukippen. Dies setzt eine Untergrenze für den Wert von VIN. Verwendung von Transistoren mit niedriger Schwellenspannung zum Absenken der Erfordernis an VIN ist möglich, wobei die Struktur allerdings aufgrund von Leckströmen im AusZustand nicht effizient arbeiten wird. Mit richtiger Auswahl von Komponenten, was Leckströme in entweder den Transistoren oder den Kondensatoren minimiert, können große kaskadierte Spannungsverdoppler verwendet werden, um große Spannungen zu erzeugen, lediglich eingeschränkt durch die Leckströme der verschiedenen Komponenten bei den hohen Spannungen.
• Wieder bezugnehmend auf 1 beinhaltet das Ladungspumpensystem 100 eine Vielzahl von geregelten Schaltstufen 110M und eine Vielzahl von ungeregelten Schaltstufen 11 ON. So wie sie hier verwendet werden, beziehen sich die Ausdrücke „geregelt“ und „ungeregelt“ auf die Spannungen des Takteingangssignals und des Invers-Takt-Eingangssignals, welche den jeweiligen Schaltstufen zugeführt werden. Eine „geregelte“ Spannung wird derart gesteuert, dass sie unabhängig von Fluktuationen der Eingangsspannung/des Eingangsstroms auf einem im Wesentlichen konstanten, vorbestimmten Pegel liegt. Eine „ungeregelte“ Spannung hängt nahezu allein von der Eingangsspannung ab. Eine beliebige geeignete Anzahl von ungeregelten und geregelten Schaltstufen kann in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren verwendet werden, wie etwa der Anwendung und der gewünschten Spannungsabgabe.
• Die Spannungsabgabe einer ungeregelten Schaltstufe 110N kann von der gewünschten oder eindesignten Spannungsabgabe abweichen. Die geregelten Schaltstufen empfangen Takteingangssignale und Invers-Takt-Eingangssignale, die auf einen vorbestimmten geregelten Spannungspegel geregelt sind. Daher sollte die Ausgabe der geregelten Schaltstufen im Wesentlichen konstant auf dem gewünschten oder eindesignten Pegel liegen. Der geregelte Spannungspegel kann eine beliebige geeignete Spannung sein, die von Faktoren, wie etwa der beabsichtigten Anwendung und den verwendeten Komponenten abhängt.
• Auf 1 bezugnehmend empfangen die geregelten Schaltstufen 110M eine geregelte Eingangsspannung V_reg von einem Verstärker 112. Der Verstärker 112 ist ausgelegt zum Anpassen der Spannung der Takteingangssignale an eine feste Anzahl von geregelten Schaltstufen 110M, um die Ausgangsspannung des Systems auf den gewünschten Wert zu bringen. Dieses Steuerschema entlastet die Ladungspumpe erheblich, wodurch die Variation aufgrund von Belastung reduziert wird und die Gesamtstromaufnahme des Systems reduziert wird.
• Ein Spannungsteiler 114 ist an der Ausgangsstufe des Ladungspumpensystems 100 vorgesehen, um die Ausgangsspannung zu erfassen und eine geteilte Ausgangsspannung als ein Rückkopplungssignal an den Verstärker zu liefern. Der Spannungsteiler 114 beinhaltet Widerstände R1, R2. Beliebige geeignete Widerstandswerte können für den Spannungsteiler verwendet werden. Um das Problem eines schlechten Bauelementabgleichs während der Herstellung zu überwinden, können Trimmmechanismen verwendet werden, um die Prozessfehlabgleiche aus dem Enddesign wegzutrimmen. Dies kann durch Anpassen von Widerstandswerten in der Rückkopplung zu dem Verstärker durchgeführt werden. Der Trimmmechanismus kann modifiziert werden, um weitere Verbesserungen (d. h. Reduktion) bei der Gesamtstromvariation zu erzielen. Bevorzugterweise verändern jegliche Trimmmodifikationen nicht den Laststrom des Systems.
• Mindestens ein vorwärtsgekoppelter Kondensator, auch als ein Nebenschlusskondensator bezeichnet, kann verwendet werden, um die Stabilität und Schleifendynamik des Ladungspumpensystems zu verbessern. Wie man in 1 sehen kann, ist ein vorwärtsgekoppelter Kondensator Cff 116 zwischen den Ausgang des Verstärkers 112 und den Ausgang des Ladungspumpensystems 100 (welcher auch der Eingang des Spannungsteilers ist) geschaltet.
• Sobald der Verstärker eingeschwungen ist, ist die Ausgangsspannung einer N + M-Stufen Ladungspumpe näherungsweise durch Gl. 1 gegeben. $$V_{GM}=\left(N+1\right)V_{DDG}+M{V}_{REG}-\raisebox{1ex}{$\left(N+M\right)l_{LOAD}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$fC$}\right.$$

  

  wobei N die Anzahl von ungeregelten Schaltstufen ist und M die Anzahl von geregelten Schaltstufen ist.
• Die ungefähre Stromaufnahme des Systems besteht aus den idealen und den parasitären Verlusten, wie etwa Verlusten durch parasitäre Kapazität und Diodenverlusten, Umkehrverlusten usw. Gemäß Gl. 2 wird jegliche Variation des Laststroms (I_load ) mit der Gesamtanzahl von Stufen verstärkt. Mit dieser neuen Architektur kommen Variationen des Laststroms nur von Prozessvariationen an dem Widerstand, Variationen an der Spannungsreferenz für den Verstärker (V_set ) und jeglicher zu dem Widerstand hinzugefügter Trimmung. $$l_{TOTAL}=\left(N+M+1\right)l_{LOAD}+I_{PAR}$$

  
• Wenn Ströme reduziert werden, reduzieren sich auch die Ausgangsimpedanz des Systems und die entsprechende Bandbreite. Jegliche auf die Quelle rückgeführten Störungen können eine erhebliche Zeit zum Auflösen brauchen. In dieser Erfindung wird die Bandbreite bei hohen Frequenzen unter Verwendung eines Nebenschlusskondensators (CFF in 1) um die geregelte Sektion der Ladungspumpe herum erweitert. Dies ermöglicht es der Schleife, schnell zu reagieren und die Störung zu unterdrücken.
• Obgleich die Offenbarung in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung veranschaulicht und ausführlich beschrieben wurde, sollte diese als in ihrem Charakter als veranschaulichend und nicht einschränkend angesehen werden. Es versteht sich, dass nur die bevorzugten Ausführungsformen präsentiert wurden, und dass alle Änderungen, Modifikationen und weiteren Anwendungen, die in das Wesen der Offenbarung fallen, geschützt werden sollen.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• US 62/691597 [0001]

Claims (16)

1. Variable-Hochspannung-Ladungspumpensystem, umfassend: einen Ausgangsknoten, an welchem eine Ausgangsspannung bereitgestellt ist; eine Vielzahl von ungeregelten Schaltstufen, gekoppelt mit dem Ausgangsknoten, wobei jede der ungeregelten Schaltstufen einen Ungeregelter-Takt-Eingang, einen Ungeregelter-Invers-Takt-Eingang und Pumpkondensatoren beinhaltet, wobei der Ungeregelter-Takt-Eingang ein Ungeregelter-Takt-Signal empfängt, wobei der Ungeregelter-Invers-Takt-Eingang ein Ungeregelter-Invers-Takt-Signal empfängt; eine Vielzahl von geregelten Schaltstufen, gekoppelt mit dem Ausgangsknoten, wobei jede der geregelten Schaltstufen einen Geregelter-Takt-Eingang, einen Geregelter-Invers-Takt-Eingang und Pumpkondensatoren beinhaltet, wobei der Geregelter-Takt-Eingang ein Geregelter-Takt-Signal empfängt, wobei der Geregelter-Invers-Takt-Eingang ein Geregelter-Invers-Takt-Signal empfängt; und einen Verstärker, der eine Regelungsspannung ausgibt, wobei das Geregelter-Takt-Signal und das Geregelter-Invers-Takt-Signal auf der Grundlage der Regelungsspannung erzeugt werden, wobei die Regelungsspannung anpassbar ist, um die Ausgangsspannung auf einen gewünschten Wert zu bringen.
2. System nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von ungeregelten Schaltstufen und die Vielzahl von geregelten Schaltstufen in einer kaskadierten Ausgestaltung angeordnet sind.
3. System nach Anspruch 1, wobei eine Rückkopplungsschleife für den Verstärker mit dem Ausgangsknoten verbunden ist.
4. System nach Anspruch 3, wobei der Verstärker einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang aufweist, wobei die Rückkopplungsschleife mit dem ersten Eingang verbunden ist, wobei eine Sollwertspannung mit dem zweiten Eingang verbunden ist, und wobei die Regelungsspannung an einem Ausgang des Verstärkers bereitgestellt ist.
5. System nach Anspruch 4, wobei die Sollwertspannung modifiziert wird, um die Regelungsspannung anzupassen.
6. System nach Anspruch 4, wobei die Rückkopplungsschleife einen Spannungsteiler beinhaltet.
7. System nach Anspruch 6, wobei ein Widerstandswert des Spannungsteilers ausgewählt ist zum Anpassen der Ausgangsspannung, ohne einen Laststrom an dem Ausgangsknoten anzupassen.
8. System nach Anspruch 4, wobei mindestens ein vorwärtsgekoppelter Kondensator den Ausgang des Verstärkers, unter Umgehung der geregelten Schaltstufen, elektrisch mit dem Ausgangsknoten verbindet.
9. System nach Anspruch 1, wobei die ungeregelten Schaltstufen unter Verwendung von Spannungsverdopplern implementiert sind.
10. Verfahren zum Betrieb eines Variable-Hochspannung-Ladungspumpensystems, das Folgendes umfasst: Zuführen einer Ungeregelter-Takt-Spannung und einer Ungeregelter-Invers-Takt-Spannung zu einer Vielzahl von ungeregelten Schaltstufen, wobei die Vielzahl von ungeregelten Schaltstufen mit einer Vielzahl von geregelten Schaltstufen kaskadiert ist, wobei die Vielzahl von ungeregelten Schaltstufen und die Vielzahl von geregelten Schaltstufen gekoppelt sind, um eine Ausgangsspannung an einem Ausgangsknoten bereitzustellen, wobei jede der ungeregelten Schaltstufen einen Ungeregelter-Takt-Eingang, einen Ungeregelter-Invers-Takt-Eingang und Pumpkondensatoren beinhaltet, wobei die Ungeregelter-Takt-Eingang-Spannung dem Takteingang zugeführt wird und die Ungeregelter-Invers-Takt-Eingang-Spannung dem Invers-Takt-Eingang zugeführt wird; Zuführen einer Geregelter-Takt-Spannung und einer Geregelter-Invers-Takt-Spannung zu der Vielzahl von geregelten Schaltstufen, wobei jede der geregelten Schaltstufen einen Geregelter-Takt-Eingang, einen Geregelter-Invers-Takt-Eingang und Pumpkondensatoren beinhaltet, wobei die Geregelter-Takt-Eingang-Spannung dem Geregelter-Takt-Eingang zugeführt wird und die Geregelter-Invers-Takt-Eingang-Spannung dem Geregelter-Invers-Takt-Eingang zugeführt wird; Anpassen der Geregelter-Takt-Spannung und der Geregelter-Invers-Takt-Spannung, um die Ausgangsspannung auf einen gewünschten Wert zu bringen.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei Anpassen der Geregelter-Takt-Spannung ferner Folgendes umfasst: Erzeugen einer Referenzregelungsspannung unter Verwendung einer Rückkopplungsschleife, verbunden mit dem Ausgangsknoten, und mit Bezug auf eine Sollwertspannung; und Anpassen der Geregelter-Takt-Spannung und der Geregelter-Invers-Takt-Spannung auf der Grundlage der Referenzregelungsspannung.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Rückkopplungsschleife mit einem ersten Eingang eines Verstärkers verbunden ist und die Sollwertspannung mit einem zweiten Eingang des Verstärkers verbunden ist, wobei die Referenzregelungsspannung an einem Ausgang des Verstärkers bereitgestellt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Ausgang des Verstärkers mit dem Ausgangsknoten über mindestens einen vorwärtsgekoppelten Kondensator verbunden ist.
14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Rückkopplungsschleife einen Spannungsteiler beinhaltet.
15. Verfahren nach Anspruch 10, wobei ein Trimmschema implementiert ist zum Anpassen der Ausgangsspannung, ohne Anpassen eines Laststroms.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Trimmschema Anpassen eines Widerstandswerts der Rückkopplungsschleife beinhaltet.

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