用于可变的电荷泵负载电流的动态时钟周期调制方案制造技术

电荷泵被连接以接收电源电压和时钟信号并且产生输出电压。电荷泵通过晶体管连接到电源电压，该晶体管的栅极电压由调节电压设置，该调节电压由来自输出电压的反馈确定。通过该晶体管供应到电荷泵的电流在产生时钟信号的区中被镜像，其中镜像的电流由电流控制器振荡器使用。这允许泵的时钟频率线性地跟踪负载电流，改善泵的有效性。

Dynamic clock period modulation scheme for variable charge pump load current

A charge pump is connected to receive a supply voltage and a clock signal and generate an output voltage. The gate voltage of the transistor is set by the regulating voltage, which is determined by the feedback from the output voltage. The current supplied by the transistor to the charge pump is mirrored in the region where the clock signal is generated. This allows the pump clock frequency to track the load current linearly and improve the effectiveness of the pump.

【技术实现步骤摘要】

下文一般地关于电荷泵领域，并且更加具体地关于调节(regulate)电荷泵的技术。
技术介绍
电荷泵使用开关和电容器的组合以提供高于或低于其DC输入电压的DC输出电压。为了产生要求的输出，从输入到输出的电荷的转移通过电容器和开关而产生。在一个时钟半周期、充电半周期期间，电容器并联地耦接到输入，以便于充电到输入电压。在第二半周期、升压半周期期间，充电的电容器的底板用输入电压升压，以便于提供输入电压的水平的两倍的输出电压。该过程在图1A和1B中示出。在图1A中，电容器5与输入电压VIN并联布置以示出充电半周期。在图1B中，充电的电容器5与输入电压串联布置以示出转移(transfer)半周期。如在图1B所看到的，充电的电容器5的正极端子相对于接地将因此是2*VIN。电荷泵被用于多种情况中。例如，它们被用作闪速和其它非易失性存储器上的外围电路以从较低的功率电源电压产生许多所需的操作电压——诸如感测、编程或擦除电压。多个电荷泵设计——诸如传统的迪克森型(Dickson-type)泵——在现有技术中是已知的。但是给定对电荷泵常见的依赖，存在对泵设计中的改善的持续的需求，特别是关于试图节省电流消耗以及减少泵的输出中的波纹(ripple)的数量。
技术实现思路
电荷泵电路系统包括电荷泵电路以及调节电路，该电荷泵电路被连接以接收时钟信号和电源电压并且从它们在该电荷泵系统的输出节点处产生输出电压。调节电路包括反馈电路、第一晶体管以及时钟电路，该反馈电路被连接以接收输出电压并且从其产生调节电压，该第一晶体管具有连接以接收调节电压的栅极并且通过其电荷泵电路被连接到电源电压。时钟电路包括：电流镜像元件，被连接以接收调节电压并且从其产生具有与由所述第一晶体管供应到该电荷泵电路的电流成比例的水平的第一电流；以及电流控制的振荡器，被连接以接收第一电流并且从其产生时钟信号，其中该时钟信号的频率取决于该第一电流的水平。一种产生调节的输出电压的方法包括，在电荷泵电路处接收时钟信号和电源电压，以及由该电荷泵电路从该时钟信号和该电源电压产生该输出电压。反馈电路接收输出电压并且从输出电压产生调节电压。调节电压被施加到第一晶体管的控制栅极处，通过其，电荷泵被连接以接收电源电压。由第一晶体管供应到电荷泵电路的电流被镜像以产生具有与由第一晶体管供应到电荷泵电路的电流成比例的水平的第一电流。电流控制的振荡器接收第一电流并且从其产生时钟信号，其中该时钟信号的频率取决于该第一电流的水平。各种方面、优点、特征以及实施例被包含在其示例性示例的以下说明中，该说明应结合附图。本文引用的所有专利、专利申请、文献、其它公开、文件和事物因此通过引用将其全部内容结合于此以用于所有目的。到在结合的公开、文件或事物以及本申请之间的定义或者术语的使用中的任何不一致或矛盾的程度，本申请的那些应占优势。附图说明图1A是在一般的电荷泵中的充电半周期的简化的电路图。图1B是在一般的电荷泵中的转移半周期的简化的电路图。图2是用于调节的电荷泵的顶层框图。图3是非易失性存储器系统的示意性表示，其中一般地使用电荷泵。图4A和4B更加详细地示出了使用固定的时钟频率的电荷泵系统的操作。图5A和5B是电荷泵系统以及相应组的波形的示例性实施例的示意性表示。图6A和6B是电荷泵系统以及相应组的波形的替换实施例的示意性表示。图7A和7B分别示出了不同的电荷泵计时方案的频率相比于负载电流以及效率相比于负载电流。具体实施方式这里呈现的技术被广泛地应用于各种电荷泵设计以减少用于电荷泵系统的整体功率消耗并且用于减少切换电流。如在
技术介绍
中所述的，非易失性存储器系统通常被设计为与相对较低的电压功率电源一起使用，但是需要更高的电压水平以进行各种读取、写入和擦除操作。例如，对于NAND存储器应用，诸如用于2D NAND或诸如BiCS型的3D器件，诸如位线驱动器和各种运算放大器的元件使用比给定的电源电压的更高(2X-3X)。这些电压由在存储器芯片上的电荷泵电路产生，该电荷泵电路可能是电路上的主要的功率消耗电路。此外这些泵通常被设计为以单个时钟频率操作，在该单个时钟频率处泵性能满足最差情况负载条件。这将导致在较低负载处的高切换和高切换电流。这里呈现的技术可以有助于根据负载电流要求而最小化泵切换频率，从而最小化相应的切换电流。尽管以下讨论通常在使用用于存储器系统的电荷泵的上下文中给出，但是所述技术更一般地可用于需要升压的电压水平的其它电路(即具有大电容性负载以及小负载电流要求的电荷泵)。图2是使用基于输出电压的调节方案的典型的电荷泵的顶层框图。如图2中所示，泵201具有时钟信号和电压Vreg作为输入并且提供输出Vout。在图2中没有明确地示出时钟产生电路，尽管其在一些实施例中可以被认为是电荷泵系统的部分或者被认为是外部输入。高(Vdd)和低(接地)连接也没有明确地示出。电压Vreg由调节器203提供，该调节器203具有来自外部电压源的参考电压Vref作为输入和输出电压Vout。调节器块203产生反馈控制信号Vreg使得可以获得Vout的期望的值。泵区201可以具有用于电荷泵的任何的各种设计，包括具有交叉耦接的元件的电荷加倍型电路以及迪克森型泵。(电荷泵通常被认为是指泵部分201和调节器203两者，当包含调节器时，尽管在一些使用中“电荷泵”仅指泵区201。在下文中，术语“电荷泵系统”通常将被用于描述泵自身以及任何调节电路或其它相关联的元件)。图3示意性地示出了存储器系统的主要硬件组件，该存储器系统包括集成的非易失性存储器电路——诸如在其上电荷泵可以被用作用于产生所需要的操作电压的外围元件。存储器系统90通常通过主机接口与主机80操作。存储器系统可以是以诸如存储器卡的可拆卸的存储器的形式，或者可以是以嵌入式的存储器系统的形式。存储器系统90包括存储器102，该存储器102的操作由控制器100控制。存储器102包括分布在一个或多个集成的电路芯片之上的非易失性存储器单元的一个或多个阵列，其可以包括一个或多个电荷泵104作为外围元件以提供用于读取、写入或擦除操作的各种电压(示意性地表示为VR、VP、VE)，该读取、写入或擦除操作需要升压到芯片上电源水平之上的值。控制器100可以包括接口电路110、处理器120、ROM(只读-存储器)122、RAM(随机存取存储器)130、可编程的非易失性存储器124以及附加组件。控制器通常形成为ASIC(专用集成电路)并且包含在这样的ASIC中的组件一般取决于特定应用。关于存储器区102，半导体存储器器件包括，易失性存储器器件——诸如动态的随机存取存储器(“DRAM”)或静态的随机存取存储器(“SRAM”)器件；非易失性存储器器件——诸如电阻式随机存取存储器(“ReRAM”)、电可擦除可编程只读存储器(“EEPROM”)、闪速存储器(也可以被认为是EEPROM的子集)、铁电的随机存取存储器(“FRAM”)以及磁阻的随机存取存储器(“MRAM”)；以及能够储存信息的其它半导体元件。每种类型的存储器器件可以具有不同的配置。例如，闪速存储器器件可以配置在NAND或NOR配置中。存储器器件可以以任何组合由无源和/或有源元件构成。以非限制性示例的方式，无源半导体存储器元件包括ReRAM器件元件，其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电荷泵系统，包括：电荷泵电路，连接以接收时钟信号和电源电压，并且在所述电荷泵系统的输出节点处从其产生输出电压；以及调节电路，包括：反馈电路，连接以接收所述输出电压并且从其产生调节电压；第一晶体管，其具有连接以接收所述调节电压的栅极，并且所述电荷泵电路通过其连接到所述电源电压；以及时钟电路，包括：电流镜像元件，连接以接收所述调节电压，并且从其产生第一电流，所述第一电流具有与由所述第一晶体管供应到所述电荷泵电路的电流成比例的水平；以及电流控制的振荡器，连接以接收所述第一电流，并且从其产生所述时钟信号，其中所述时钟信号的频率取决于所述第一电流的水平。

【技术特征摘要】
2015.05.28 US 14/724,0671.一种电荷泵系统，包括：电荷泵电路，连接以接收时钟信号和电源电压，并且在所述电荷泵系统的输出节点处从其产生输出电压；以及调节电路，包括：反馈电路，连接以接收所述输出电压并且从其产生调节电压；第一晶体管，其具有连接以接收所述调节电压的栅极，并且所述电荷泵电路通过其连接到所述电源电压；以及时钟电路，包括：电流镜像元件，连接以接收所述调节电压，并且从其产生第一电流，所述第一电流具有与由所述第一晶体管供应到所述电荷泵电路的电流成比例的水平；以及电流控制的振荡器，连接以接收所述第一电流，并且从其产生所述时钟信号，其中所述时钟信号的频率取决于所述第一电流的水平。2.如权利要求1所述的电荷泵系统，其中所述时钟信号的频率随所述第一电流的水平线性地变化。3.如权利要求1所述的电荷泵电路，其中所述电流镜像元件包括在所述电源电压和接地之间连接的第二晶体管，该第二晶体管具有连接以接收所述调节电压的栅极，以及其中所述电流控制的振荡器包括：电流源，与所述第二晶体管并联连接以提供第二电流；电容器；切换电路，连接以接收所述时钟信号，并且基于所述时钟信号，交替地连接所述电容器来以基于所述组合的第一和第二电流的速率充电和放电；比较电路，连接到所述电容器并且接收第一和第二参考电压，其中所述比较电路基于相对所述第一和第二参考电压的所述电容器上的电压水平来产生设置和重置信号；以及锁存器，连接以接收所述设置和重置信号并且从其产生所述时钟信号.4.如权利要求3所述的电荷泵系统，其中所述电流控制的振荡器还包括：中间镜像电路，连接到所述切换电路，并且所述第二晶体管和电流源通过所述切换电路连接到接地。5.如权利要求3所述的电荷泵系统，其中所述第二晶体管在尺寸上小于所述第一晶体管。6.如权利要求1所述的电荷泵系统，其中所述电流镜像元件包括第二和第三晶体管，其每一个连接在所述电源电压和接地之间并且其每一个具有连接以接收所述调节电压的栅极，并且其中所述电流控制的振荡器包括：设置信号产生部分，具有：第一电流源，与所述第二晶体管并联连接以提供第二电流；第一电容器；第一切换电路，连接以接收所述时钟信号，并且基于所述时钟信号，交替地连接到所述第一电容器来以基于所述组合的第一和第二电流的速率充电和放电；以及第一比较电路，连接到所述第一电容器以及参考电压，其中所述第一比较电路基于相对于参考电压的所述第一电容器上的电压水平产生设置信号；以及重置信号产生部分，具有：第二电流源，与所述第二晶体管并联连接以提供第三电流；第二电容器；第二切换电路，连接以接收所述时钟信号的反相形式，并且基于时钟信号的所述反相形式，交替地连接到所述第二电容器来以基于所述组合的第一和第三电流的速率充电和放电；以及第二比较电路，连接到所述第二电容器以及到所述参考电压，其中所述第二比较电路基于相对于参考电压的在所述第二电容器上的电压水平来产生设置信号；以及锁存器，连接以接收所述设置和重置信号并且从其产生所述时钟信号。7.如权利要求6所述的电荷泵系统，其中所述第二晶体管在尺寸上小于所述第一晶体管，并且其中所述第二和第三晶体管尺寸近似。8.如权利要求1所述的电荷泵系统，其中所述反馈电路包括：分压电路，连接在输出节点和接地之间；以及运算放大器，具有连接到所述分压电路的节点的第一输入，具有连接以接收参考电压的第二输入，并且具有从其提供所述调节电压的输出。9.如权利要求1所述的电荷泵系统，其中所述电荷泵电路包括倍压器类型的结构。10.如权利要求1所述的电荷泵系统，其中所述电荷泵系统形成在非易失性存储器电路上。11.如权利要求10所述的电荷泵系统，其中输出电压被用于编...

【专利技术属性】
技术研发人员：GS雷迪，PVP库马尔，S亚达拉，
申请(专利权)人：桑迪士克科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US