本發(fā)明電源開關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及電荷泵及flas存儲器。

背景技術(shù)：

電荷泵是一種dc/dc變換器，其功能是在芯片內(nèi)產(chǎn)生一個高于電源電壓的電壓。與其他dc/dc變換器相比，需要的外圍器件少，并且沒有電磁波干擾，從而在存儲器技術(shù)領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。

在存儲器領(lǐng)域，如flash存儲器，在對flash存儲器讀取、寫入以及擦除時(shí)，均需要一個高于電源電壓的電壓，此電壓由flash芯片內(nèi)的電荷泵提供。

由于目前對flash存儲器的讀取速度、寫入速度要求越來越高，電荷泵如何在更短的時(shí)間輸出所需的高電壓越來越重要。因此，升壓速度成為了電荷泵一個非常重要的指標(biāo)。

電荷泵所占面積的大小主要受到主電容值大小的影響，在傳統(tǒng)的電荷泵設(shè)計(jì)中，每一級主電容的大小相同，這可使電荷泵驅(qū)動能力最大，但在電荷泵升壓過程中，若要使其升壓至穩(wěn)定值的速度更快，那么僅簡單地讓電荷泵每一級主電容值相同是存在局限性。

傳統(tǒng)的電荷泵在確定了時(shí)鐘頻率和電荷泵級數(shù)后，若要進(jìn)一步提升電荷泵輸出電壓的升壓至穩(wěn)定值的速度，只能以犧牲面積為代價(jià)增加每一級主電容的大小，從而達(dá)到提升電荷泵輸出電壓的升壓速度的目的。

這種設(shè)計(jì)方式的確能減小電荷泵的升壓時(shí)間，但也提高了電荷泵的主電容值，由于電荷泵的面積主要受主電容值的影響，所以主電容值的增加會使得電荷泵的面積大大增加。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明提供一種電荷泵，包括：n級升壓電路，所述n級升壓電路中n為大于1的整數(shù)；每級升壓電路包括一主電容，沿著n級升壓電路中電壓信號的輸出方向，前一級升壓電路中的主電容值大于等于后一級升壓電路中的主電容值。

進(jìn)一步，第一級升壓電路中的主電容值大于第二級升壓電路中的主電容值，第n-1級升壓電路中的主電容值大于第n級升壓電路中的主電容值。

進(jìn)一步，位于所述第一級升壓電路、第n級升壓電路之間的每級升壓電路中的主電容值均相等。

進(jìn)一步，每級升壓電路包括一主升壓子電路和一輔助升壓子電路，所述主升壓子電路與所述輔助升壓子電路電連接；前一級升壓電路中的輔助升壓子電路與后一級升壓電路中的主升壓子電路電連接。

進(jìn)一步，所述主升壓子電路包括：一主電容和一主場效應(yīng)管，所述主電容串接在所述主場效應(yīng)管的柵極上，所述主場效應(yīng)管的源極形成主升壓子電路的輸入端；所述輔助升壓子電路包括：一輔助電容和一輔助場效應(yīng)管，所述輔助電容串接在所述輔助場效應(yīng)管的柵極上，所述輔助場效應(yīng)管的柵極還與所述主場效應(yīng)管的漏極電連接；所述輔助場效應(yīng)管的源極與所述主場效應(yīng)管的源極電連接，所述輔助場效應(yīng)管的漏極與所述主場效應(yīng)管的柵極電連接，所述輔助場效應(yīng)管的漏極還形成輔助升壓子電路的輸出端；所述輔助場效應(yīng)管的漏極還與電源場效應(yīng)管的漏極電連接，所述電源場效應(yīng)管的柵極、源極均接電源電壓。

進(jìn)一步，還包括：防止倒流的場效應(yīng)管，所述場效應(yīng)管的柵極、源極分別與所述第n級升壓電路中輔助升壓子電路的輸出端電連接；所述場效應(yīng)管的漏極通過負(fù)載電容接地；所述場效應(yīng)管的漏極形成電荷泵的電壓輸出端。

進(jìn)一步，每級升壓電路中的主電容值是利用電荷泵等效模型，以及所述電荷泵等效模型中的延時(shí)模型計(jì)算得到。

進(jìn)一步，所述電荷泵等效模型中的延時(shí)模型為：τn＝r1c11+(r1+r2)c21+…+(r1+r2+…rn-1)c(n-1)1+(r1+r2+…rn)(cn1+cl)；其中，r1＝1/(fc11)，r2＝1/(fc21)，…，rn＝1/(fcn1)；f為電荷泵時(shí)鐘信號的頻率。

進(jìn)一步，所述一級主電容c11的值，通過以下公式計(jì)算得到：所述n級主電容cn1的值，通過以下公式計(jì)算得到：其中，cl是負(fù)載電容；c為位于所述第一級升壓電路、第n級升壓電路之間的每級升壓電路中的主電容值。

本發(fā)明還通過一種包含電荷泵的flas存儲器。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的電荷泵及flas存儲器，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明基于主電容面積不變的條件，將每一級主電容值重新進(jìn)行分配。根據(jù)電荷守恒，后一級主電容中的電荷均由前一級主電容傳輸，若前一級主電容大于等于后一級主電容，前一級往后一級傳輸?shù)碾姾闪勘銜龆?，這將提升電荷泵輸出電壓升壓至穩(wěn)定值的速度。前一級主電容更大些，存儲的電荷就更多些；雖然后一級電容的值小了，然而后一級電容一次能夠獲得的電荷仍然會增加。避免了傳統(tǒng)方法中依靠增大主電容面積來提升電荷泵輸出電壓升壓速度的方法，減小了電荷泵的面積。

前一級主電容值不是越大越好，因?yàn)樵谝粋€n級電荷泵的總面積保持不變的前提下，前級電容值越大，后級的電容值就會越小。所以當(dāng)負(fù)載電容為定值時(shí)，即使第一級主電容足夠大，使得第二級主電容的升壓速度足夠快，但是由于后面級數(shù)的主電容越來越小小，后面級數(shù)的主電容升壓速度會變慢，這會使電荷泵輸出電壓的升壓速度不會得到提升。本發(fā)明中合理設(shè)計(jì)，確保提升了電荷泵的升壓速度。

附圖說明

下面將以明確易懂的方式，結(jié)合附圖說明優(yōu)選實(shí)施方式，對一種電荷泵及flas存儲器的上述特性、技術(shù)特征、優(yōu)點(diǎn)及其實(shí)現(xiàn)方式予以進(jìn)一步說明。

圖1是本發(fā)明一種n級電荷泵的電路原理圖；

圖2是本發(fā)明一種n級電荷泵的傳統(tǒng)等效電路原理圖；

圖3是本發(fā)明一種n級電荷泵的等效電路原理圖；

圖4是本發(fā)明一種兩級電荷泵的電路原理圖；

圖5是本發(fā)明一種兩級電荷泵中c/cl＝0.5時(shí)傳統(tǒng)優(yōu)化方式與本發(fā)明提出的優(yōu)化方式的輸出電壓升壓曲線圖；

圖6是本發(fā)明一種兩級電荷泵中c/cl＝1時(shí)傳統(tǒng)優(yōu)化方式與本發(fā)明提出的優(yōu)化方式的輸出電壓升壓曲線圖；

圖7是本發(fā)明一種兩級電荷泵中c/cl＝2時(shí)傳統(tǒng)優(yōu)化方式與本發(fā)明提出的優(yōu)化方式的輸出電壓升壓曲線圖；

圖8是本發(fā)明一種三級電荷泵中c/cl＝0.5時(shí)傳統(tǒng)優(yōu)化方式與本發(fā)明提出的優(yōu)化方式的輸出電壓升壓曲線圖；

圖9是本發(fā)明一種三級電荷泵中c/cl＝1時(shí)傳統(tǒng)優(yōu)化方式與本發(fā)明提出的優(yōu)化方式的輸出電壓升壓曲線圖；

圖10是本發(fā)明一種三級電荷泵中c/cl＝2時(shí)傳統(tǒng)優(yōu)化方式與本發(fā)明提出的優(yōu)化方式的輸出電壓升壓曲線圖。

具體實(shí)施方式

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對照附圖說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖，并獲得其他的實(shí)施方式。

為使圖面簡潔，各圖中只示意性地表示出了與本發(fā)明相關(guān)的部分，它們并不代表其作為產(chǎn)品的實(shí)際結(jié)構(gòu)。另外，以使圖面簡潔便于理解，在有些圖中具有相同結(jié)構(gòu)或功能的部件，僅示意性地繪示了其中的一個，或僅標(biāo)出了其中的一個。在本文中，“一個”不僅表示“僅此一個”，也可以表示“多于一個”的情形。

如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，一種電荷泵，包括：n級升壓電路，所述n級升壓電路中n為大于1的正整數(shù)，例如n為2、3......20等；每級升壓電路包括一主電容，沿著n級升壓電路中電壓信號的輸出方向，前一級升壓電路中的主電容值大于等于后一級升壓電路中的主電容值。

優(yōu)選的，第一級升壓電路中的主電容值大于第二級升壓電路中的主電容值，第n-1級升壓電路中的主電容值大于第n級升壓電路中的主電容值。位于所述第一級升壓電路、第n級升壓電路之間的每級升壓電路中的主電容值均相等。

具體的，n級四相時(shí)鐘電荷泵，電荷泵每級均包括一個主mos管m11\m21......mn1，主電容c11\c21......cn1，輔助mos管m12\m22......mn2，輔助電容c12\c22......cn2。為便于分析，假定主mos管、輔助mos管皆可視為理想開關(guān)，且忽略實(shí)際電路中所存在的寄生電容，此假設(shè)并不影響結(jié)論的正確性。

傳統(tǒng)的電荷泵設(shè)計(jì)，其等效電路圖如圖2所示，vmax＝(n+1)vcc，rpump＝1/c11+……+1/cn1，當(dāng)c11＝c21＝…＝cn1＝c，cpump≈nc/3；在c11+c21+……+cn1＝nc保持不變的前提下，僅能使rpump的值達(dá)到最小，而不能使rpump和cload(cload＝cpump+cl)的乘積最小，但電荷泵的升壓時(shí)間與其等效模型中的rpump和cload的乘積成正比，故經(jīng)典的電荷泵設(shè)計(jì)方法存在很大的局限性。

傳統(tǒng)地設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中假設(shè)每一級主電容值為c，那么n級電荷泵中所有主電容值為nc。本實(shí)施例的優(yōu)化結(jié)構(gòu)中，基于面積不變的條件，將每一級主電容值重新進(jìn)行分配。電荷并前級的主電容值將比c大，而后級的主電容值將比c小，例如，n級電荷泵中的所有主電容值可以按照等差數(shù)列進(jìn)行分布，但需保證c11+c21+……+cn1＝nc。

值得注意的是：前級主電容值不是越大越好，因?yàn)樵谝粋€n級電荷泵的總面積保持不變的前提下，前級電容值越大，后級的電容值就會越小。所以當(dāng)負(fù)載電容為定值時(shí)，即使第一級主電容足夠大，使得第二級主電容的升壓速度足夠快，但是由于后面級數(shù)的主電容越來越小小，后面級數(shù)的主電容升壓速度會變慢，這會使電荷泵輸出電壓的升壓速度不會得到提升。本發(fā)明中合理設(shè)計(jì)，確保提升了電荷泵的升壓速度。

如圖1所示，針對上述實(shí)施例的改進(jìn)，本實(shí)施例中，每級升壓電路包括一主升壓子電路和一輔助升壓子電路，所述主升壓子電路與所述輔助升壓子電路電連接；前一級升壓電路中的輔助升壓子電路與后一級升壓電路中的主升壓子電路電連接。

優(yōu)選的，所述主升壓子電路包括：一主電容c11\c21......\cn1和一主場效應(yīng)管m11\m21......\mn1，所述主電容c11\c21......\cn1串接在所述主場效應(yīng)管m11\m21......\mn1的柵極上，所述主場效應(yīng)管m11\m21......\mn1的源極形成主升壓子電路的輸入端。

優(yōu)選的，所述輔助升壓子電路包括：一輔助電容c12\c22......\cn2和一輔助場效應(yīng)管m12\m22......\mn2，所述輔助電容c12\c22......\cn2串接在所述輔助場效應(yīng)管m12\m22......\mn2的柵極上，所述輔助場效應(yīng)管m12\m22......\mn2的柵極還與所述主場效應(yīng)管m11\m21......\mn1的漏極電連接；所述輔助場效應(yīng)管m12\m22......\mn2的源極與所述主場效應(yīng)管m11\m21......\mn1的源極電連接，所述輔助場效應(yīng)管m12\m22......\mn2的漏極與所述主場效應(yīng)管m11\m21......\mn1的柵極電連接，所述輔助場效應(yīng)管m12\m22......\mn2的漏極還形成輔助升壓子電路的輸出端；所述輔助場效應(yīng)管m12\m22......\mn2的漏極還與電源場效應(yīng)管m10\m20......\mn0的漏極電連接，所述電源場效應(yīng)管m10\m20......\mn0的柵極、漏極均接電源電壓，起到對電荷泵各節(jié)點(diǎn)預(yù)充電的作用。

所述第n級升壓電路中輔助升壓子電路的輸出端分別與所述場效應(yīng)管的柵極、源極電連接；場效應(yīng)管起保護(hù)作用、防止倒流。所述場效應(yīng)管的漏極通過負(fù)載電容cl接地；所述場效應(yīng)管的漏極形成電荷泵的電壓輸出端。

電荷泵升壓過程中，電源電壓從m12源級輸入，clk1、clk2、clk3、clk4均為時(shí)鐘信號，時(shí)鐘的高電平等于電源電壓，低電平為0v。通過合理控制時(shí)鐘信號的相位，分別開啟m11\m21......\mn1管和m12\m22......\mn2管，從而達(dá)到升壓的目的。例如當(dāng)clk1為高，clk2為低時(shí)，m11管開啟，m12管關(guān)斷，此時(shí)，電源電壓給電容c12充電；當(dāng)clk1為低，clk2為高時(shí)，m12管開啟，m11管關(guān)斷，此時(shí)，電源電壓給電容c11充電；當(dāng)clk1再次為高時(shí)，由于之前電源電壓已經(jīng)給c11充滿電荷，所以電荷泵第一級的輸出端，即m12管的漏端電壓將升壓至電源電壓的兩倍。以此類推，經(jīng)過n級后，電壓將升至電源電壓的n+1倍。

具體的，當(dāng)c/cl的值越大時(shí)，此優(yōu)化方法的提升效果越明顯，對電荷泵升壓速度的提升越多。為了便于分析，均假定主mos管、輔助mos管為理想的開關(guān)管，且忽略實(shí)際電路中所存在的寄生電容，此假設(shè)并不影響結(jié)論的正確性。

通過理論分析不難得到，當(dāng)c11+c21＝2c，時(shí)，兩級電荷泵輸出電壓的升壓速度更快。從上述的公式中可以看出，c21<c<c1，當(dāng)cl遠(yuǎn)大于c時(shí)，c21的值接近于c，當(dāng)cl遠(yuǎn)小于c時(shí)，c21的值接近于0。

分別選取c/cl＝0.5、c/cl＝1和c/cl＝2，如圖5、圖6、圖7所示，初始狀態(tài)的輸出電壓vout(0)＝vcc，最終狀態(tài)的輸出電壓vout(∞)＝3vcc，以vout(0)升壓到0.9vout(∞)所需的時(shí)間作為電荷泵升壓時(shí)間的參考。圖5、圖6、圖7中橫坐標(biāo)為電荷泵中時(shí)鐘的周期數(shù)，縱坐標(biāo)為電荷泵的輸出電壓。圖5、圖6、圖7實(shí)線表示電荷泵經(jīng)過傳統(tǒng)的優(yōu)化方式后的輸出電壓升壓曲線，即c11＝c21＝c時(shí)的輸出電壓升壓曲線。而虛線表示c11＝2c-c21時(shí)的輸出電壓升壓曲線，此時(shí)c11>c21。

針對上述實(shí)施例的改進(jìn)，本實(shí)施例中，每級升壓電路中的主電容值是利用電荷泵等效模型，以及所述電荷泵等效模型中的延時(shí)模型計(jì)算得到。

所述電荷泵等效模型中的延時(shí)模型為：

τn＝r1c11+(r1+r2)c21+…+(r1+r2+…rn-1)c(n-1)1+(r1+r2+…rn)(cn1+cl)；延時(shí)τn與電荷泵的升壓速度成反比；

其中，r1＝1/(fc11)，r2＝1/(fc21)，…，rn＝1/(fcn1)；f為電荷泵時(shí)鐘信號的頻率。

所述一級主電容c11的值，通過以下公式計(jì)算得到：

所述n級主電容cn1的值，通過以下公式計(jì)算得到：

其中，cl是負(fù)載電容；c為位于所述第一級升壓電路、第n級升壓電路之間的每級升壓電路中的主電容值。

具體的，圖3是本發(fā)明提出的n級電荷泵等效模型；根據(jù)elmore延時(shí)模型可知，vmax＝(n+1)vcc，延時(shí)τn＝r1c11+(r1+r2)c21+…+(r1+r2+…rn-1)c(n-1)1+(r1+r2+…rn)(cn1+cl)，其中r1＝1/(fc11)，r2＝1/(fc21)，…，rn＝1/(fcn1)；f為電荷泵時(shí)鐘信號的頻率。延時(shí)τn與電荷泵的上升速度成反比。從延時(shí)τn的公式中不難看出，電荷泵每級電容都相等，即c11＝c21＝c31＝……＝cn1＝c時(shí)，延時(shí)τn并非最小。

當(dāng)電荷泵為兩級時(shí)，其電路圖如圖4所示，根據(jù)延時(shí)模型τ2＝r1c11+(r1+r2)(c21+cl)，此時(shí)可以推導(dǎo)出，當(dāng)c11+c21＝2c，時(shí)，延時(shí)τ2最小，兩級電荷泵輸出電壓的升壓速度最快，如圖5，圖6，圖7所示。

當(dāng)電荷泵為三級時(shí)，根據(jù)延時(shí)模型τ2＝r1c11+(r1+r2)c21+(r1+r2+r3)(c31+cl)，此時(shí)可以推導(dǎo)出，當(dāng)c11+c21+c31＝3c，c21＝c，時(shí)，此時(shí)的延時(shí)τ3將比c11＝c21＝c31＝c時(shí)的延時(shí)τ3更小，此時(shí)三級電荷泵輸出電壓的升壓速度將更快，如圖8，圖9，圖10所示。

當(dāng)電荷泵為n級時(shí)，根據(jù)延時(shí)模型τn＝r1c11+(r1+r2)c21+…+(r1+r2+…rn-1)c(n-1)1+(r1+r2+…rn)(cn1+cl)，此時(shí)可以推導(dǎo)出，當(dāng)c11+c21+……+cn1＝nc，c21＝c，……，c(n-1)1＝c，時(shí)，此時(shí)的延時(shí)τn將比c11＝c21＝c31＝……＝cn1＝c時(shí)的延時(shí)τn更小，此時(shí)n級電荷泵輸出電壓的升壓速度將更快。

根據(jù)本發(fā)明提供的另一個實(shí)施例，一種flas存儲器，包含電荷泵，所述電荷泵包括：包括：n級升壓電路，所述n級升壓電路中n為大于1的正整數(shù)，例如n為2、3......20等；每級升壓電路包括一主升壓子電路和一輔助升壓子電路，所述主升壓子電路與所述輔助升壓子電路電連接；前一級升壓電路中的輔助升壓子電路與后一級升壓電路中的主升壓子電路電連接。

優(yōu)選的，所述主升壓子電路包括：主電容c11\c21......\cn1和主場效應(yīng)管m11\m21......\mn1，所述主電容c11\c21......\cn1串接在所述主場效應(yīng)管m11\m21......\mn1的柵極上，所述主場效應(yīng)管m11\m21......\mn1的源極形成主升壓子電路的輸入端。

優(yōu)選的，所述輔助升壓子電路包括：輔助電容c12\c22......\cn2和輔助場效應(yīng)管m12\m22......\mn2，所述輔助電容c12\c22......\cn2串接在所述輔助場效應(yīng)管m12\m22......\mn2的柵極上，所述輔助場效應(yīng)管m12\m22......\mn2的柵極還與所述主場效應(yīng)管m11\m21......\mn1的漏極電連接；所述輔助場效應(yīng)管m12\m22......\mn2的源極與所述主場效應(yīng)管m11\m21......\mn1的源極電連接，所述輔助場效應(yīng)管m12\m22......\mn2的漏極與所述主場效應(yīng)管m11\m21......\mn1的柵極電連接，所述輔助場效應(yīng)管m12\m22......\mn2的漏極還形成輔助升壓子電路的輸出端；所述輔助場效應(yīng)管m12\m22......\mn2的漏極還與電源場效應(yīng)管m10\m20......\mn0的漏極電連接，所述電源場效應(yīng)管m10\m20......\mn0的柵極、源極均接電源電壓。

優(yōu)選的，所述第n級升壓電路中輔助升壓子電路的輸出端分別與所述場效應(yīng)管的柵極、源極電連接；場效應(yīng)管起保護(hù)作用、防止倒流。所述場效應(yīng)管的漏極通過負(fù)載電容cl接地；所述場效應(yīng)管的漏極形成電荷泵的電壓輸出端。

沿著n級升壓電路中電壓信號的輸出方向，前一級升壓電路中的前一級主電容值大于等于后一級升壓電路中的后一級主電容值。

優(yōu)選的，第一級升壓電路中的一級主電容值大于第二級升壓電路中的二級主電容值，第n-1級升壓電路中的n-1級主電容值大于第n級升壓電路中的n級主電容值。位于所述第一級升壓電路、第n級升壓電路之間的每級升壓電路中的主電容值均相等。

每級升壓電路中的主電容值是利用電荷泵等效模型，以及所述電荷泵等效模型中的延時(shí)模型計(jì)算得到。

所述電荷泵等效模型中的延時(shí)模型為：

τn＝r1c11+(r1+r2)c21+…+(r1+r2+…rn-1)c(n-1)1+(r1+r2+…rn)(cn1+cl)；延時(shí)τn與電荷泵的升壓速度成反比；

其中，r1＝1/(fc11)，r2＝1/(fc21)，…，rn＝1/(fcn1)；f為電荷泵時(shí)鐘信號的頻率。

所述一級主電容c11的值，通過以下公式計(jì)算得到：

所述n級主電容cn1的值，通過以下公式計(jì)算得到：

其中，cl是負(fù)載電容；c為位于所述第一級升壓電路、第n級升壓電路之間的每級升壓電路中的主電容值。

應(yīng)當(dāng)說明的是，上述實(shí)施例均可根據(jù)需要自由組合。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。