多级电荷泵及集成电路IC芯片制造技术

本实用新型专利技术涉及多级电荷泵。在所描述的实例中，多级电荷泵(50)包含串联连接的第一、第二及第三电荷泵级(52、58及64)。所述第一、第二及第三电荷泵级(52、58及64)中的每一者包含第一类型的电荷泵电路(54、60及66)，其将相应电荷泵电路(54、60及66)的输入信号增加高达给定量。所述多级电荷泵(50)还包含电平移位器(70)，其在所述第三电荷泵级(64)的输出信号的电压与偏移电压及接地中的一者之间摆动电平时钟信号。所述多级电荷泵(50)进一步包含第二类型的电荷泵电路(82)，其将所述第三电荷泵级(64)的所述输出的所述电压增加高达另一量，并提供输出，且另一量由所述电平移位器(70)设置。此外，所述多级电荷泵(50)包含第三类型的电荷泵电路(86)。

Multistage Charge Pump and IC Chip

The utility model relates to a multistage charge pump. In the example described, the multistage charge pump (50) comprises the first, second and third charge pump stages (52, 58 and 64) connected in series. Each of the first, second and third charge pump stages (52, 58 and 64) contains the first type of charge pump circuits (54, 60 and 66), which increase the input signals of the corresponding charge pump circuits (54, 60 and 66) up to a given amount. The multistage charge pump (50) also includes a level shifter (70), which swings a level clock signal between the output signal voltage of the third charge pump stage (64) and the offset voltage and one of the grounding. The multistage charge pump (50) further comprises a second type of charge pump circuit (82), which increases the voltage output of the third charge pump stage (64) up to another amount and provides an output, and the other amount is set by the level shifter (70). In addition, the multistage charge pump (50) comprises a third type of charge pump circuit (86).

【技术实现步骤摘要】
多级电荷泵及集成电路IC芯片
本技术大体上涉及电子电路，且更特定来说，涉及多级电荷泵。
技术介绍
DC-DC转换器是将直流(DC)源从一个电压电平转换为另一电压电平的电子电路或机电装置。DC-DC转换器的实例类型是电荷泵，其采用至少一个电容器作为能量存储元件来创建更高或更低的电压电源。在实例电荷泵中，切换装置控制到至少一个电容器的电压的连接。在至少一个实例中，两级循环电荷泵从较低电压供应器产生较高的脉冲电压。在循环的第一级，将电路切换到电容器跨越供应器连接的状况，借此将电容器充电到相同电压。在循环的第二级，将电路切换到电容器与到负载的供应器串联的状况。此两级循环有效地提供接近到负载的供应电压的两倍(通过提供原始供应电压加上至少一个电容器的电压的总和)。在至少一个实例中，输出电容器使较高电压输出的脉冲性质平滑化。
技术实现思路
在第一实例中，一种多级电荷泵包含串联连接的第一、第二及第三电荷泵级。所述第一、第二及第三电荷泵级中的每一者包含第一类型的电荷泵电路，其将相应电荷泵电路的输入信号增加高达给定量。所述多级电荷泵还包含电平移位器，其在所述第三电荷泵级的输出信号的电压与偏移电压及接地中的一者之间摆动电平时钟信号。所述多级电荷泵进一步包含第二类型的电荷泵电路，其将所述第三电荷泵级的所述输出的所述电压增加高达另一量，并提供输出，且另一量由所述电平移位器设置。此外，所述多级电荷泵包含第三类型的电荷泵电路，其将所述第二电荷泵级的所述输出的电压增加高达约由所述电平移位器设置的另一量。在第二实例中，一种集成电路(IC)芯片包含串联连接的第一、第二及第三电荷泵级。所述第一、第二及第三电荷泵级中的每一者使相应电荷泵电路的输入信号增加高达给定量。所述IC芯片还包含偏置电路，其响应于所述第一电荷泵级的输入及所述第一、第二及第三电荷泵级的输出而产生偏移电压。所述IC芯片进一步包含电平移位器，其在所述第三电荷泵级的所述输出的电压与接地之间以涡轮模式摆动时钟信号，且在所述第三电荷泵级的所述输出的电压与所述偏移电压之间以稳态模式摆动所述时钟信号。此外，所述IC芯片包含第四电荷泵级，其将所述第三电荷泵级的所述输出的所述电压增加另一量，并提供输出。所述第一、第二、第三及第四电荷泵级中的每一者不包含金属板电容器。此外，所述IC芯片包含第五电荷泵级，其将所述第四电荷泵级的所述输出的电压增加高达约另一量。在第三实例中，一种IC芯片包含串联连接的电荷泵级。所述电荷泵级中的每一者包含第一类型的电荷泵电路。所述IC芯片还包含偏置电路，其响应于来自所述电荷泵级的输出及施加到所述电荷泵级的第一电荷泵级的输入信号而产生偏移电压。所述IC芯片进一步包含电平移位器，其在所述电荷泵级的最后一个电荷泵级的所述输出信号的电压与接地之间以涡轮模式摆动时钟信号，且在所述电荷泵级的所述最后一个电荷泵级的所述输出信号的电压与所述偏移电压之间以稳态模式摆动所述时钟信号。此外，所述IC芯片包含下一个电荷泵电路，其包括第二类型的电荷泵电路，所述下一个电荷泵电路将所述电荷泵级中的所述最后一个电荷泵级的所述输出的所述电压增加高达近似所述电荷泵级中的所述最后一个电荷泵级的所述输出的量并提供输出。附图说明图1是多级电荷泵的实例的图。图2是多级电荷泵的另一实例的图。图3是第一电荷泵电路的实例的电路图。图4是电平移位器的实例的电路图。图5是图4的电平移位器的逻辑的实例。图6是偏置电路的实例的电路图。图7是第二电荷泵电路的实例的电路图。图8是第三电荷泵电路的实例的电路图具体实施方式在至少一个实例中，多级电荷泵：(a)在集成电路(IC)芯片上实施；(b)具有多个操作模式，例如涡轮模式(例如，启动或初始化)及稳态模式；及(c)包含串联连接的第一、第二及第三电荷泵电路。在涡轮模式下，根据电荷泵的类型，第一、第二及第三电荷泵电路中的每一者将相应的电荷泵电路的输入信号增加第一量。在至少一个实例中，在稳态模式下，第一电荷泵电路是可绕过的，且第二及第三电荷泵电路将输入信号增加第二量。在一些实例中，第一、第二及第三电荷泵电路具有相同设计。输入信号被微调到约5.5V到约6.5V(例如，约6V)。此外，归因于改变负载阻抗，第二及第三电荷泵电路在稳态模式下使输入电压的信号增大的量大于在涡轮模式下使输入信号的电压增大的量。因此，第一电荷泵电路在稳态模式下是可绕过的，以调整多级电荷泵的净电压增加。在至少一个实例中，多级电荷泵具有偏置电路，其响应于第一、第二及第三电荷泵电路的输出而产生偏移电压。偏移电压被输出到电平移位器，所述电平移位器提供在约第三电荷泵电路的输出信号的电压电平与约电中性电平(例如，接地，例如约0V)之间以涡轮模式摆动的时钟信号。此外，时钟信号在约第三电荷泵电路的输出信号的电压电平与约偏移电压之间以稳态模式摆动。在一些实例中，多级电荷泵进一步包含第四电荷泵电路，其将第三电荷泵电路的输出的电压增加第三量(例如，约10到12V)并提供输出信号。在至少一个实例中，多级电荷泵包含第五电荷泵电路，其将第四电荷泵电路的输出信号的电压增加第三量，以产生约38V到40V的输出信号。多级电荷泵是可配置的，使得第一到第四电荷泵电路用多晶硅电容器来实施，所述多晶硅电容器相对较小并且具有能量效率。在至少一个实例中，第一到第四电荷泵电路中的电容器在稳态模式下暴露于约12V或更小的电压摆动，且在涡轮模式下暴露于约18V或更小的电压摆动。由于多级电荷泵以涡轮模式操作达占空比的一小部分(例如，约1％或更少)，并且以稳态模式操作达占空比的剩余部分，多级电荷泵的第一到第四级的多晶硅电容器在可接受可靠性参数内操作。如本文所使用，术语“占空比”是指多级电荷泵的总体有效操作时间。因此，多级电荷泵以涡轮模式操作达多级电荷泵的总体操作时间的小部分(例如，约1％或更少)，并且以稳态模式操作达总体操作时间的剩余部分。此外，在至少一个实例中，在第五(例如，最后或输出)电荷泵电路中采用金属板电容器，因为此电荷泵电路中的电容器在稳态模式下暴露于高达约24V的电压降，并且在涡轮模式下暴露于高达约30V或更多的电压降。通过将金属板电容器限制到多级电荷泵的输出级，可实现IC芯片的裸片的更大的空间效率，同时节省大量的成本。图1是在IC芯片上实施的多级电荷泵50的框图。在至少一个实例中，多级电荷泵50呈DC-DC转换器的形式。举例来说，多级电荷泵50可用于微机电系统(MEMS)装置或其中需要或期望相对高的输出电压VOUT(例如，约35伏(V)或更高)的另一装置中。在至少一个实例中，多级电荷泵50的特征集成在分立IC芯片中。在至少另一实例中，多级电荷泵50的特征与其它特征集成以实施另一系统，例如在芯片上系统(SoC)架构中。多级电荷泵50以两种不同模式操作，即以涡轮斜变模式(或简称为“涡轮模式”)以及以稳态或正常模式操作。在至少一个实例中，多级电荷泵50接收特性化多级电荷泵50的操作模式的模式信号(在图1中标记为“模式”)。为清楚起见，一些信号(例如模式信号)在图1中被展示及描述为单个信号。然而，在至少一个实例中，此类信号表示多个信号，其包含信号的补码(反相)或者具有在信号中编码的一或多个其它值。通常，多级电荷泵50在输出电压VOUT斜升到阈值电压(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多级电荷泵，其特征在于所述多级电荷泵包括：串联连接的第一、第二及第三电荷泵级，其中所述第一、第二及第三电荷泵级中的每一者包括第一类型的电荷泵电路，其将相应电荷泵电路的输入信号增加高达给定量；电平移位器，其摆动在所述第三电荷泵级的输出的电压与偏移电压及接地中的一者之间的电平时钟信号；第二类型的电荷泵电路，其将所述第三电荷泵级的所述输出的所述电压增加高达由所述电平移位器设置的另一量并提供输出；及第三类型的电荷泵电路，其将所述第二类型的电荷泵电路的所述输出的电压增加高达大约所述另一量。

【技术特征摘要】
2016.12.30 US 15/395,1751.一种多级电荷泵，其特征在于所述多级电荷泵包括：串联连接的第一、第二及第三电荷泵级，其中所述第一、第二及第三电荷泵级中的每一者包括第一类型的电荷泵电路，其将相应电荷泵电路的输入信号增加高达给定量；电平移位器，其摆动在所述第三电荷泵级的输出的电压与偏移电压及接地中的一者之间的电平时钟信号；第二类型的电荷泵电路，其将所述第三电荷泵级的所述输出的所述电压增加高达由所述电平移位器设置的另一量并提供输出；及第三类型的电荷泵电路，其将所述第二类型的电荷泵电路的所述输出的电压增加高达大约所述另一量。2.根据权利要求1所述的多级电荷泵，其特征在于所述第一电荷泵级进一步包括旁路开关，以绕过所述第一电荷泵级的所述电荷泵电路，其中所述旁路开关响应于模式信号而可被控制。3.根据权利要求2所述的多级电荷泵，其特征在于所述电平移位器经配置以响应于指示所述多级电荷泵以稳态模式操作的所述模式信号而在所述第三电荷泵级的所述输出的所述电压与所述偏移电压之间摆动所述电平时钟信号，且其中所述电平移位器响应于指示所述多级电荷泵以涡轮模式工作的所述模式信号而在所述第三电荷泵级的所述输出的所述电压与所述接地之间可用于摆动所述电平时钟信号。4.根据权利要求3所述的多级电荷泵，其特征在于所述第二及第三电荷泵级经配置以在所述稳态模式下使相应输入信号的电压增大的量大于在所述涡轮模式下使相应输入信号的所述电压增大的量。5.根据权利要求1所述的多级电荷泵，其特征在于所述第二类型的所述电荷泵电路及所述第三类型的所述电荷泵电路各自包含具有电抗性分压器以限制相应晶体管装置的输入节点处的电压的电荷泵。6.根据权利要求1所述的多级电荷泵，其特征在于所述第三类型的所述电荷泵电路包括金属板电容器。7.根据权利要求1所述的多级电荷泵，其特征在于所述第一、第二及第三电荷泵级中的每一者包含用于促进电荷泵送的电容器，且所述电容器具有约1％或更小的占空比，用于暴露于高于约12V的电压摆动。8.根据权利要求7所述的多级电荷泵，其特征在于所述第一及第二类型的所述电荷泵电路不包含金属板电容器。9.根据权利要求1所述的多级电荷泵，其特征在于所述第一电荷泵级的所述电荷泵电路可用给定的时钟信号控制，且所述第二及第三电荷泵级的所述电荷泵电路可由另一时钟信号控制，其中所述给定时钟信号具有比所述另一时钟信号更大的频率。10.根据权利要求1所述的多级电荷泵，其特征在于所述第一电荷泵级经耦合以接收具有在约5V与约7V之间的电压的输入信号，且所述第三类型的所述电荷泵电路经耦合以提供具有至少约38V的电压的输出信号。11.根据权利要求1所述的多级电荷泵，其特征在于所述多级电荷泵进一步包括偏置电路，所述偏置电路经耦合以接收所述第一、第二及第三电荷泵级中的每一者的输出，且基于所述第一、第二及第三电荷泵级中的每一者的所述输出将...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·J·谢伊，许家磊，
申请(专利权)人：德州仪器公司，
类型：新型
国别省市：美国,US