JP2011507471A - 調整付き低電圧チャージポンプ - Google Patents

Abstract

低出力電圧、高電流能力のチャージポンプを提供する技術を説明する。このチャージポンプは切替回路と複数のコンデンサを有する。初期化段階には各コンデンサの第１の極板がレギュレータ電圧を受け取るように接続され、各コンデンサの第２の極板は接地へ接続される。移動段階にはコンデンサが直列に接続され、第１のコンデンサより後ろの各コンデンサでは第２の極板が直列内の先行コンデンサの第１の極板へ接続される。ポンプの出力電圧は、直列内の最終コンデンサの第１の極板から供給される。ポンプの出力電圧レベルに応じた値を得るため、調整回路は基準電圧からレギュレータ電圧を生成する。

Description

本発明は、一般的にはチャージポンプの分野に関し、より具体的には相対的に低出力電圧、高電力効率、および高電流が要求されるチャージポンプに関する。

チャージポンプは切替処理によりＤＣ入力電圧より大きいＤＣ出力電圧を提供する。チャージポンプは通常、入力と出力との間にスイッチに結合されたコンデンサを有する。１クロックの半サイクルにあたる充電半サイクルのときには、コンデンサが入力へ並列に結合し、入力電圧まで充電する。第２のクロックサイクルにあたる移動半サイクルのときには、充電されたコンデンサが入力電圧と直列に結合し、入力電圧レベルの２倍の出力電圧を提供する。このプロセスは図１ａおよび図１ｂに示されている。充電半サイクルを示す図１ａではコンデンサ５が、入力電圧Ｖ_INと並列に配置されている。移動半サイクルを示す図１ｂでは、充電されたコンデンサ５が入力電圧と直列に配置されている。図１ｂに見られるように、充電されたコンデンサ５の正端子は接地に対して２＊Ｖ_INになる。

チャージポンプは様々な状況で利用される。例えば、フラッシュ等の不揮発性メモリの周辺回路として利用され、プログラミング電圧や消去電圧等の様々に必要な作動電圧を低電源電圧から生成する。当該技術分野では従来のディクソン型ポンプ等の数々のチャージポンプ設計が知られている。しかし、チャージポンプへの普遍的依存のため、特にレイアウト面積とポンプの電流消費の縮減の点でポンプ設計の改善が引き続き求められている。

米国特許第５，４３６，５８７号 米国特許第６，３７０，０７５号 米国特許第６，９２２，０９６号 米国特許第７，１３５，９１０号 米国特許出願第１０／８４２，９１０号 米国特許出願第１１／２９５，９０６号 米国特許出願第１１／３０３，３８７号 米国特許出願第１１／４９７，４６５号 米国特許出願第１１／５２３，８７５号 米国特許出願第１１／８４５，９０３号 米国特許出願第１１／８４５，９３９号

"Charge Pump Circuit Design" by Pan and Samaddar, McGraw-Hill, 2006 ウェブページ「www.eecg.toronto.edu/〜kphang/ece1371/chargepumps.pdf」で入手できる"Charge Pumps: An Overview", Pylarinos and Rogers, Department of Electrical and Computer Engineering University of Toronto

出力電圧を生成するチャージポンプを説明する。このチャージポンプは切替回路と複数のコンデンサを有する。コンデンサは、第１の初期化段階と第２の移動段階とで交互に接続可能である。第１の段階には各コンデンサの第１の極板がレギュレータ電圧を受け取るように接続され、各コンデンサの第２の極板は接地へ接続される。第２の段階にはコンデンサが直列に接続され、第１のコンデンサより後ろの各コンデンサでは第２の極板が直列内の先行コンデンサの第１の極板へ接続される。ポンプの出力電圧は、直列内の最終コンデンサの第１の極板から供給される。ポンプの出力電圧レベルに応じた値を得るため、調整回路は基準電圧からレギュレータ電圧を生成する。

以下の本発明の例示的な例の説明には本発明の様々な態様、利点、特徴、および実施形態が含まれているが、この説明は添付の図面と併せて解釈すべきものである。本願明細書において参照する特許、特許出願、記事、その他の出版物、文書、事物はどれも、その全体が本願明細書においてあらゆる目的のために参照により援用されている。援用されている出版物、文書、または事物のいずれかと本願との間で用語の定義または使用に矛盾や食い違いがある場合には、本願の定義または使用が優先するものとする。
本発明の様々な態様と特徴は、以下の図を考査することでより良く理解できる。

汎用チャージポンプにおける充電半サイクルの簡易回路図である。 汎用チャージポンプにおける移動半サイクルの簡易回路図である。 調整型チャージポンプのトップレベルブロック図である。 第１の実施形態のチャージポンプの初期化モードを示す。 第１の実施形態のチャージポンプの移動モードを示す。 代替の実施形態のチャージポンプの初期化モードを示す。 代替の実施形態のチャージポンプの移動モードを示す。

ここで説明するチャージポンプは、高効率、最小限のレイアウト面積要件、および高電流能力が好ましい用途に特に適している。例示的な実施形態は、先行技術よりもレイアウト面積と電流消費を抑え、高出力電流能力により３Ｖ〜６．５Ｖ範囲の出力を提供するのに適している。説明する設計は、例えば不揮発性メモリ回路上の周辺回路として応用できる。

ディクソン型ポンプをはじめとする先行技術のチャージポンプやチャージポンプ全般については、例えば"Charge Pump Circuit Design" by Pan and Samaddar, McGraw-Hill, 2006 （非特許文献１）やウェブページ「www.eecg.toronto.edu/〜kphang/ece1371/chargepumps.pdf」で入手できる"Charge Pumps: An Overview", Pylarinos and Rogers, Department of Electrical and Computer Engineering University of Toronto（非特許文献２）で詳細を確認できる。米国特許第５，４３６，５８７号（特許文献１）、第６，３７０，０７５号（特許文献２）、第６，９２２，０９６号（特許文献３）、第７，１３５，９１０号（特許文献４）、ならびに２００４年１０月５日に出願された米国特許出願第１０／８４２，９１０号（特許文献５）、２００５年１２月６日に出願された米国特許出願第１１／２９５，９０６号（特許文献６）、２００５年１２月１６日に出願された米国特許出願第１１／３０３，３８７号（特許文献７）、２００６年７月３１日に出願された米国特許出願第１１／４９７，４６５号（特許文献８）、２００６年９月１９日に出願された米国特許出願第１１／５２３，８７５号（特許文献９）、２００７年８月２８日に出願された米国特許出願第１１／８４５，９０３号（特許文献１０）および第１１／８４５，９３９号（特許文献１１）では様々なチャージポンプの態様および設計について詳しい情報を確認できる。

図２は、典型的なチャージポンプ構成のトップレベルブロック図である。ここで説明する設計は、ポンプ部２０１の詳細が先行技術とは異なる。図２に見られるように、ポンプ２０１は入力としてクロック信号と電圧Ｖｒｅｇを得、出力Ｖｏｕｔを提供する。ハイ（Ｖｄｄ）接続とロー（接地）接続は明示されていない。電圧Ｖｒｅｇはレギュレータ２０３によって提供され、レギュレータは入力として外部電圧源からの基準電圧Ｖｒｅｆと出力電圧Ｖｏｕｔを得る。レギュレータブロック２０３は、所望のＶｏｕｔ値が得られるようにＶｒｅｇの値を調整する。ポンプ部２０１は通常、例示的な実施形態で後述するようなクロスカップル型素子を有する。（「チャージポンプ」はポンプ部２０１のみを指す場合もあるが、レギュレータがある場合はポンプ部分２０１とレギュレータ２０３の両方を指すものとして通常解釈される。）

Ｖｒｅｆは、例えば１．２ボルトのバンドギャップジェネレータ（図示せず）やその他の外部電圧源から提供される固定基準電圧である。Ｃｌｏｃｋ＿Ｈｉｇｈはポンプ２０１へ入力されるクロック（図示せず）である。Ｃｌｏｃｋ＿Ｈｉｇｈ（φ）の「１」電圧レベルは、好ましくは電荷移動に用いるスイッチでの降下を最小限に抑えるにあたって十分な高さにするべきである。

図３Ａ、図３Ｂおよび図４Ａ、図４Ｂに１組の例示的な実施形態を示す。いずれの場合も、移動段階またはモードでは、複数（Ｎ個、ここではＮ＝３個）のコンデンサが直列に接続され、初期化段階またはモードでは、低電圧レベル（通常は接地）とレギュレータ電圧との間でそれぞれのコンデンサが接続される。レギュレータ電圧はフィードバックに基づきレギュレータ回路から提供され、各内部ステージノードのプレチャージ制御に役立てることができる。

図３Ａおよび図３Ｂは、第１の実施形態のチャージポンプの初期化段階と移動段階をそれぞれ示している。これらの例に見られるステージ数Ｎは便宜上Ｎ＝３だが、これ以外の数でも適宜使用できることが理解できるはずである。図３Ａの初期化段階で各コンデンサの「下」極板（Ｃ１ ３１１、Ｃ２ ３１３、Ｃ３ ３１５）は０Ｖに設定され、「上」極板は調整済み電圧Ｖｒｅｇに基づくレベルにリセットされる。Ｖｒｅｇはレギュレータ３０３から供給され、クロック信号ＣＬＫに基づきこれを果たすスイッチは模式的に図に示されている。スイッチとレギュレータ回路はいずれも当該技術分野で公知の標準的技術で実施できる。

図３Ｂには第２の作動段階、すなわち移動段階が示される。Ｎ個のステージは、電圧源からのＶｄｄレベルと出力を供給する出力ノードとの間で直列に接続されている。この出力はレギュレータ３０３にも供給される。このため、調整フィードバックをもとに内部ステージノードのプレチャージレベルを制御でき（図３Ａで説明）、クロックはＶｄｄレベルで常時作動できる。出力はＶｏｕｔ＝Ｎ＊Ｋ＊Ｖｒｅｇ＋Ｖｄｄまで上昇する。Ｋは、作動時の電荷共有効率に基づく係数である。これはスイッチ（模式的に図に示す）にまたがるいかなる降下も無視した理想的レベルである。好ましくは、いかなる降下も最小限に抑えるレベルでスイッチを駆動する。上極板にＶｄｄを印加するだけでなく、初期化段階に調整電圧を使って上極板をプレチャージすることにより、調整された出力を得ることができ、図３Ｂの直列構成で高電力効率および高電流要求が達成される。

図４Ａおよび図４Ｂは、チャージポンプの代替の実施形態の初期化段階と移動段階をそれぞれ示している。種々の素子は、図３Ａおよび図３Ｂと同様にラベル付けされ、同様の働きをする。主な違いとして、クロック振幅のみならず内部ステージノードのプレチャージレベル制御に調整フィードバックを役立てることができることが挙げられる。図４Ｂの移動段階では、ＶｄｄではなくＶｒｅｇと出力ノードとの間でコンデンサが直列に接続される。その結果、出力電圧は（理想的には）Ｖｏｕｔ＝Ｎ＊Ｋ＊Ｖｒｅｇ＋Ｖｒｅｇまで上昇する。この場合にはレギュレータ回路４０３からのフィードバックによって全ての出力電圧を調整できる。

正の電圧出力を生成する場合について、図３Ａ、図３Ｂおよび図４Ａ、図４Ｂの構成を説明したが、同様の構成で負の電圧を生成することもできる。さらに具体的には、それには、簡潔に述べれば図３Ａ、図３Ｂおよび図４Ａ、図４Ｂの実施形態を接続の点で「逆さ」にし、対応する負の調整電圧を使用すればよい。

これまで特定の実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、この説明は本発明の一応用例に過ぎず、制限として解釈すべきものではない。開示した実施形態の特徴の様々な適応ならびに組み合わせは、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲内にある。

Claims (7)

1. 出力電圧を生成するチャージポンプ回路であって、
   第１の極板と第２の極板とを各々有する複数のコンデンサと、
   切替回路であって、それによってコンデンサは第１の段階と第２の段階とで交互に接続され、第１の段階ではコンデンサの第１の極板がレギュレータ電圧を受け取るように接続され、コンデンサの第２の極板は接地へ接続され、第２の段階ではコンデンサが直列に接続され、直列内の第１のコンデンサより後ろの各コンデンサでは第２の極板が直列内の先行コンデンサの第１の極板へ接続され、最終コンデンサの第１の極板はチャージポンプ回路の出力電圧を供給するように接続される切替回路と、
   基準電圧とチャージポンプからの出力電圧を受け取り、かつ前記基準電圧からレギュレータ電圧を生成するように接続可能な調整回路であって、レギュレータ電圧値は出力電圧レベルに応答する調整回路と、
   を備えるチャージポンプ回路。
2. 請求項１記載のチャージポンプ回路において、
   直列内の第１のコンデンサの第２の極板は、第２の段階中に電圧源から電圧レベルを受け取るように接続されるチャージポンプ回路。
3. 請求項１記載のチャージポンプ回路において、
   直列内の第１のコンデンサの第２の極板は、第２の段階中にレギュレータ電圧を受け取るように接続されるチャージポンプ回路。
4. 請求項１記載のチャージポンプ回路において、
   チャージポンプ回路は、不揮発性メモリ回路上の周辺回路の一部であるチャージポンプ回路。
5. 出力電圧を生成する方法であって、
   第１の極板と第２の極板とを各々有する複数のコンデンサを設けるステップと、
   第１の段階と第２の段階とで交互にコンデンサを接続するステップであって、前記第１の段階は、
   レギュレータ電圧を受け取るようにコンデンサの第１の極板を接続することと、
   第２の極板を接地へ接続することと、を含み、前記第２の段階は、
   直列内の第１のコンデンサより後ろの各コンデンサでは第２の極板が直列内の先行コンデンサの第１の極板へ接続されるように直列のコンデンサを接続することと、
   直列内の最終コンデンサの第１の極板からチャージポンプ回路の出力電圧を供給することと、を含む接続するステップと、
   基準電圧から調整電圧を生成するステップであって、レギュレータ電圧値は出力電圧レベルに応答する生成するステップと、
   を含む方法。
6. 請求項５記載の方法において、
   前記第２の段階は、電圧源から電圧レベルを受け取るように直列内の第１のコンデンサを接続することをさらに含む方法。
7. 請求項５記載の方法において、
   前記第２の段階は、レギュレータ電圧を受け取るように直列内の第１のコンデンサを接続することをさらに含む方法。

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