阅读说明：本技术 电压控制装置及存储器系统 (Voltage control device and memory system ) 是由 古惟铭 王炜强 于 2018-12-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种电压控制装置,电压控制装置包括第一电荷泵、第二电荷泵、第一电源开关、第二电源开关及第三电源开关。第一电荷泵接收第一系统电压,并根据第一系统电压产生第一应用电压。第一电源开关接收第一系统电压及第一应用电压。第二电荷泵耦接于第一电源开关的输出端,并根据第二电荷泵的输入端所接收的电压产生第二应用电压。第二电源开关接收第二应用电压。第三电源开关的第一输入端耦接于第一电荷泵的输出端,而第三电源开关的第二输入端耦接于第二电荷泵的输出端。(The invention discloses a voltage control device which comprises a first charge pump, a second charge pump, a first power switch, a second power switch and a third power switch. The first charge pump receives a first system voltage and generates a first application voltage according to the first system voltage. The first power switch receives a first system voltage and a first application voltage. The second charge pump is coupled to the output end of the first power switch and generates a second application voltage according to the voltage received by the input end of the second charge pump. The second power switch receives a second application voltage. The first input terminal of the third power switch is coupled to the output terminal of the first charge pump, and the second input terminal of the third power switch is coupled to the output terminal of the second charge pump.)

电压控制装置及存储器系统

技术领域

本发明是有关于一种电压控制装置，特别是一种应用在存储器系统中具有小体积特性的电压控制装置。

背景技术

为了满足电子装置对于低耗能的需求，集成电路(integrated circuits，IC)的电力规格常重新设计成能够在低电压的环境中操作，以减少电能损耗。举例来说，过去电力规格为5V的集成电路现在常被减至3.3V或甚至低于2V。虽然低电压的操作能够减少电力损耗，然而即便是电力规格为低电压的电路，也可能在某些应用中需要较高的电压来完成操作。举例来说，快闪存储器就需要较高的电压来进行写入及清除操作。其中较高的电压常会利用电荷泵电路来提供。

由于快闪存储器在写入及清除操作时可能会需要两组不同的高电压，且两者所需的电流负载也可能有所差异，因此在现有技术中，常会利用两组不同的电荷泵电路分别产生写入及清除操作时所需的电压。在此情况下，用来产生较高电压的电荷泵会需要比较多级数的升压电路，而用来提供较大负载电流的电荷泵则会利用尺寸较大的升压电路组件，两者的需求都会使得电路面积增加，而不符合现今的电路设计需求。

发明内容

本发明的一实施例提供一种电压控制装置包含第一电荷泵、第二电荷泵、第一电源开关、第二电源开关及第三电源开关。

第一电荷泵具有输入端及输出端，第一电荷泵的输入端接收第一系统电压，第一电荷泵的输出端输出第一应用电压。第一电荷泵根据第一系统电压产生第一应用电压。

第一电源开关(power switch)具有第一输入端、第二输入端及输出端。第一电源开关的第一输入端接收第一系统电压，而第一电源开关的第二输入端接收第一应用电压。

第二电荷泵具有输入端及输出端，第二电荷泵的输入端耦接于第一电源开关的输出端，而第二电荷泵的输出端输出第二应用电压。第二电荷泵根据第二电荷泵的输入端所接收的电压产生第二应用电压。

第二电源开关具有输入端及输出端，第二电源开关的输入端接收第二应用电压。第三电源开关具有输入端及输出端，第三电源开关的第一输入端耦接于第一电荷泵的输出端，第三电源开关的第二输入端耦接于第二电荷泵的输出端。

本发明的另一实施例提供一种存储器系统，存储器系统包含电压控制装置及存储器阵列。

电压控制装置包含第一电荷泵、第二电荷泵、第一电源开关、第二电源开关及第三电源开关。

第一电荷泵具有输入端及输出端，第一电荷泵的输入端接收第一系统电压，第一电荷泵的输出端输出第一应用电压。第一电荷泵根据第一系统电压产生第一应用电压。

第一电源开关具有第一输入端、第二输入端及输出端。第一电源开关的第一输入端接收第一系统电压，而第一电源开关的第二输入端接收第一应用电压。

第二电荷泵具有输入端及输出端，第二电荷泵的输入端耦接于第一电源开关的输出端，而第二电荷泵的输出端输出第二应用电压。第二电荷泵根据第二电荷泵的输入端所接收的电压产生第二应用电压。

第二电源开关具有输入端及输出端，第二电源开关的输入端接收第二应用电压。第三电源开关具有输入端及输出端，第三电源开关的第一输入端耦接于第一电荷泵的输出端，第三电源开关的第二输入端耦接于第二电荷泵的输出端。

存储器阵列耦接于电压控制装置，且包含多个存储器单元。存储器阵列接收并根据电压控制装置所输出的电压对存储器单元进行操作。

附图说明

图1为本发明一实施例的电压控制装置的示意图。

图2为本发明一实施例的存储器系统的示意图。

其中，附图标记说明如下：

100、200 电压控制装置

110、210 第一电荷泵

120、220 第二电荷泵

130、230 第一电源开关

140、240 第二电源开关

150、250 第三电源开关

260 第四电源开关

V1 第一系统电压

VP1 第一应用电压

VP2 第二应用电压

20 存储器系统

V_ctrl1 输入逻辑电压

V_ctrl2 驱动控制电压

22 存储器阵列

22A 存储器单元

24 电位偏移驱动器

具体实施方式

图1为本发明一实施例的电压控制装置100的示意图。电压控制装置100包含第一电荷泵110、第二电荷泵120、第一电源开关(power switch)130、第二电源开关140及第三电源开关150。

第一电荷泵110具有输入端及输出端，第一电荷泵110的输入端可接收第一系统电压V1，而第一电荷泵110可根据第一系统电压V1产生第一应用电压VP1，并自第一电荷泵110的输出端输出第一应用电压VP1。在本发明的有些实施例中，第一系统电压V1可以是系统中电路默认所需的操作电压，并可由固定的电压源提供，而第一应用电压VP1则为某些特定应用或电路所需的操作电压。

第一电源开关130具有第一输入端、第二输入端及输出端，第一电源开关130的第一输入端可接收第一系统电压V1，第一电源开关130的第二输入端可接收第一应用电压VP1。第一电源开关130可在第一输入端及第二输入端之间切换以自其输出端输出第一系统电压V1或第一应用电压VP1。

第二电荷泵120具有输入端及输出端，第二电荷泵120的输入端耦接于第一电源开关130的输出端，而第二电荷泵120可根据第二电荷泵120的输入端所接收的电压产生第二应用电压VP2，并自第二电荷泵120的输出端输出第二应用电压VP2。

第二电源开关140具有输入端及输出端，第二电源开关140的输入端可接收第二应用电压VP2，而第二电源开关140可根据电压控制装置100的操作模式自其输出端输出第二应用电压VP2或停止输出电压。

第三电源开关150具有第一输入端、第二输出端及输出端。第三电源开关150的第一输入端耦接于第一电荷泵110的输出端，第三电源开关150的第二输入端耦接于第二电荷泵120的输出端。第三电源开关150可在第一输入端及第二输入端之间切换以自其输出端输出第一电荷泵110及/或第二电荷泵120所输出的电压。

透过第一电源开关130、第二电源开关140及第三电源开关150，电压控制装置100就能够更加弹性地利用第一电荷泵110及第二电荷泵120来输出所需的电压以符合应用的需求。

举例来说，当电压控制装置100操作在第一模式以输出较高的第二应用电压VP2时，第一电源开关130的输出端可输出第一电荷泵110所产生的第一应用电压VP1，此时第二电荷泵120就会接收到第一应用电压VP1，并可根据第一应用电压VP1来产生第二应用电压VP2，而第二电源开关140的输出端则可输出第二应用电压VP2以供后续应用所需。在有些实施例中，第一应用电压VP1可高于第一系统电压V1，而第二应用电压VP2可高于第一应用电压VP1，举例来说，第一系统电压V1可例如为2.5V，第一应用电压VP1可例如为8V，而第二应用电压VP2可例如为15V。

也就是说，第一电荷泵110可以提升第一系统电压V1以产生第一应用电压VP1，而第二电荷泵120则可接着提升第一应用电压VP1以产生第二应用电压VP2。如此一来，第二电荷泵120就无需直接从第一系统电压V1升压产生第二应用电压VP2，因此得以减少第二电荷泵120内部所需的升压级数，也可以减少所需的电路面积。

此外，当电压控制装置100操作在第二模式以输出所需负载电流较大的应用电压时，第一电源开关130的输出端可输出第一系统电压V1。在此情况下，第一电荷泵110及第二电荷泵120都会根据第一系统电压V1来升压，并各自产生第一应用电压VP1及第二应用电压VP2。在此实施例中，第一应用电压VP1实质上可相等于第二应用电压VP2，而第一应用电压VP1可高于第一系统电压V1。举例来说，第一系统电压V1可例如为2.5V，第一应用电压VP1及第二应用电压VP2可例如为8V。在本发明的部分实施例中，第一电荷泵110及第二电荷泵120中可包含电压比较器，电压比较器可以将第一电荷泵110及第二电荷泵120的输出电压与默认的参考电压相比较，而只有在第一电荷泵110及第二电荷泵120的输出电压低于参考电压时，才启动内部的升压机制进行升压。如此一来，藉由调整参考电压的电压值，就能够将第一应用电压VP1及第二应用电压VP2调整到所需的电压值。

在此情况下，第三电源开关150可导通第三电源开关150的第一输入端至第三电源开关150的输出端之间的电流路径以输出第一应用电压VP1，并同时导通第三电源开关150的第二输入端至第三电源开关150的输出端之间的电流路径以输出第二应用电压VP2。如此一来，第一电荷泵110及第二电荷泵120就可以共同提供后续应用所需的应用电压，因此可以减少单一电荷泵所需承担的电流负载，使得第一电荷泵110及第二电荷泵120能够选择尺寸较小的电路组件来实作以减少电路面积。

此外，在本发明的有些实施例中，第一电荷泵110及第二电荷泵120所支持的电流负载也可不同，举例来说，第一电荷泵110所支持的电流负载可以大于第二电荷泵120所支持的电流负载。如此一来，在第一模式下，第二电荷泵120就能够更加稳定地利用第一应用电压VP1来进行升压，而在第二模式下，第一电荷泵110则能够提供大部分的电流负载，使得第一电荷泵110及第二电荷泵120在不同模式下能够互相配合，让电路设计更具弹性。

由于电压控制装置100可以在不同的模式下，弹性地利用第一电荷泵110及第二电荷泵120产生所需的第一应用电压VP1及第二应用电压VP2，因此可以提升电压控制装置100的电路使用效率，并减少整体所需的电路面积。

在本发明的部分实施例中，电压控制装置100可以应用在存储器系统中，并用以提供存储器单元的写入操作及清除操作所需的电压。以利用福勒-诺德汉穿隧效应(Fowler-Nordheim tunneling，F-N tunneling)来实作清除、以及以利用热载子注入(Channel HotElectron Injection，CHE Injection)来实作写入的存储器单元为例，在进行写入操作时，存储器单元会需要较大电流的高电压，例如为8V的电压，此时电压控制装置100便可操作在第二模式。而在进行清除操作时，存储器单元则会需要较写入操作时更高的电压，例如为15V的电压，此时电压控制装置便可操作在第一模式。

图2为本发明一实施例的存储器系统20的示意图。存储器系统20包含电压控制装置200及存储器阵列22。电压控制装置200与电压控制装置100具有相似的结构并可根据相似的原理操作。存储器阵列22耦接于电压控制装置200，并可包含多个存储器单元22A。

当存储器系统20在执行清除操作时，电压控制装置200可以进入第一模式。此时第一电源开关230的输出端可输出第一电荷泵210所产生的第一应用电压VP1，因此第二电荷泵220可以根据第一应用电压VP1进行升压以产生第二应用电压VP2，而第二电源开关240的输出端则可输出第二应用电压VP2。在本发明的部分实施例中，第二应用电压VP2可高于第一应用电压VP1，而第一应用电压VP1可高于第一系统电压V1。如此一来，存储器阵列22便可接收第二应用电压VP2作为清除电压，并对其中的至少一个存储器单元22A进行清除操作。

当存储器系统20在执行写入操作时，电压控制装置200可以进入第二模式。此时第一电源开关240的输出端可输出第一系统电压V1，而第一电荷泵210及第二电荷泵220可同样根据第一系统电压V1产生实质上相等的第一应用电压VP1及第二应用电压VP2。此外，第三电源开关250则可同时输出第一应用电压VP1及第二应用电压VP2以因应写入操作时所需的较大的电流负载。在此情况下，存储器阵列22可接收第一应用电压VP1及第二应用电压VP2作为写入电压，并对其中的至少一存储器单元进行写入操作。

此外，在本发明的部分实施例中，在对存储器阵列22中的存储器单元进行一般的选择或读取操作时，由于外部的输入逻辑电压V_ctrl1可能是系统中较低的操作电压，例如介于1.2V至2V。在此情况下，为了能够顺利驱动存储器单元22A中的晶体管或其他电路组件，存储器系统20还可包含电位偏移(level shift)驱动器24。电位偏移驱动器24可耦接于电压控制装置200及存储器阵列22，并且可以偏移输入逻辑电压V_ctrl1的电位以产生用以控制存储器阵列22的驱动控制电压V_ctrl2。

一般而言，电位偏移驱动器24可以根据输入逻辑电压V_ctrl1的电位高低输出对应的驱动控制电压V_ctrl2，使得驱动控制电压V_ctrl2的高电位能够例如与第一系统电压V1相近，以利驱动存储器阵列22中的存储器单元。

然而，不同的存储器系统可能会操作在不同的操作环境，且可能具有相异的组件参数偏移，因此各个系统中的固定电压源所产生的第一系统电压V1也可能会有所差异。举例来说，在不同的存储器系统中，第一系统电压V1可能会介于最小变异值2.5V至最大变异值5.7V之间。在输入逻辑电压V_ctrl1的高电位为1.2至1.98V的情况下，如果电位偏移驱动器24是直接将输入逻辑电压V_ctrl1偏移至接近第一系统电压V1的电位，此时电位偏移驱动器24中的上拉晶体管及下拉晶体管就可能处在不平衡的偏压下。举例来说，当第一系统电压V1处于最大变异值，例如5.7V，而输入逻辑电压V_ctrl1由低电位0V变为高电位为1.2V时，电位偏移驱动器24中的上拉晶体管及下拉晶体管就会在不平衡的偏压下同时导通，导致电位偏移驱动器24的效率不佳。在此情况下，电位偏移驱动器24就可能需要根据实际的操作状况，选择适当尺寸的上拉晶体管及下拉晶体管来维持电路的功能。

为解决此一问题，电压控制装置200还可包含第四电源开关260。第四电源开关260具有第一输入端、第二输入端及输出端。第四电源开关260的第一输入端可接收第一系统电压V1，第四电源开关260的第二输入端可耦接于第一电荷泵210的输出端，而第四电源开关260的输出端可耦接于电位偏移驱动器24。

当存储器系统20在执行读取操作时，电压控制装置200可进入第三模式，此时，第四电源开关260的输出端可输出第一电荷泵210所产生的第一应用电压VP1，而电位偏移驱动器24便可根据第一应用电压VP1来偏移输入逻辑电压V_ctrl1。在此情况下，第一应用电压VP1可设定成大于第一系统电压V1的最小变异值，例如2.5V，且小于第一系统电压V1的最大变异值，例如5.7V。也就是说，第一应用电压VP1可以设定为第一系统电压V1的最小变异值及第一系统电压V1的最大变异值之间的电压值，例如但不限于2.5V至5.7V之间的3.5V。

如此一来，电位偏移驱动器24便可接收第一应用电压VP1以偏移输入逻辑电压V_ctrl1的电位而产生驱动控制电压V_ctrl2，使得内部的上拉晶体管及下拉晶体管能够处在相对平衡的偏压状态下，进而提高变换电位的速度，并减少电位偏移驱动器24的面积。也就是说，透过第一电荷泵210及第四电源开关260，电位偏移驱动器24就可以接收到固定的第一应用电压VP1，而不会因为第一系统电压V1在不同系统中具有不同的电压值而造成效率不佳的问题，也使得电位偏移驱动器24能够利用尺寸较小的晶体管来实作，减少整体所需的电路面积。

此外，当电压控制装置200在闲置(standby)时，第一电荷泵210可能会停止产生第一应用电压VP1，此时为了避免输入存储器阵列22处于浮接(floating)状态，第四电源开关260可改以输出第一系统电压V1至电位偏移驱动器24。再者，当电压控制装置200处于第一模式并对存储器单元22A进行清除操作，或处于第二模式并对存储器单元22A进行写入操作时，第一电荷泵210所产生的第一应用电压VP1会以提供清除或写入时的高压为主，在此情况下，第一应用电压VP1可能会大于电位偏移驱动器24所需的偏压，因此第四电源开关260可改以输出第一系统电压V1至电位偏移驱动器24。也就是说，电压控制装置200在闲置、进行清除操作、或进行写入操作时，第四电源开关260皆会输出第一系统电压V1至电位偏移驱动器24。

综上所述，本发明的实施例所提供的电压控制装置及存储器系统可以更有效率地利用内部的电荷泵电路来产生所需的应用电压，因此能够减少电荷泵电路的电路面积。此外，当应用在存储器系统时，电压控制装置还可以产生合适的操作电压，使得电位偏移驱动器能够更有效率地偏移逻辑控制信号的电压准位，同时也可缩减系统所需的电路面积。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。