一种低电压范围低纹波的嵌入式Flash位线驱动电路

技术领域

本发明涉及非易失性存储技术领域，尤其涉及一种低电压范围低纹波的嵌入式Flash位线驱动电路。

背景技术

非易失性存储器是一种掉电之后依然可以保存数据的存储芯片，包括EEPROM电可擦除存储器、Flash闪存存储器、忆阻器等等，目前主流的非易失性存储方法是Flash和EEPROM，本发明中涉及的嵌入式Flash属于Flash细分领域下NOR Flash的内容。相比于主流的NAND Flash，NOR Flash虽然有容量密度小、写入速度慢且价格高等缺点，但因其具备更快的读取速度，片内执行的特点，NOR Flash仍然占据一定的市场份额。

NOR Flash包括独立式NOR Flash和嵌入式Flash，独立式NOR Flash是独立的芯片，专门用来存储数据，与其他芯片的数据传输需要通过芯片外部的引脚完成；嵌入式Flash就是嵌入在芯片内部，芯片其他部分需要存储或读取的数据都可以直接在芯片内部进行，不仅节省了芯片面积，也简化了芯片对数据的读写。

嵌入式Flash用作MCU的代码和数据存储，因此嵌入式Flash的应用场景和MCU的应用场景高度重合，包括汽车电子、工业自动控制和物联网等领域。依附我国汽车电动化及智能化快速发展，智能汽车对MCU需求量至少是传统燃油汽车4.3倍，主要包括整车热管理系统、辅助驾驶系统、车身及智能座舱系统、车身控制、底盘安全、汽车照明系统、电机电控和动力系统。国内车规MCU企业持续受益，这是MCU最大的市场增量来源，从以上数据可以看到车规MCU和IOT MCU需求非常旺盛，因此对于嵌入式Flash的需求也在与日俱增。

嵌入式Flash的写操作需要在字线上施加7~8V的电压，位线施加4~5V的电压，此时位线上存在比较大的电流。因此给位线提供4~5V的电压源的同时也需要承受比较大的电流负载，若写操作时的单元数量改变，则电流负载也会改变，这就表示电压源需要承受的电流负载是动态的，需要保证在不同电流负载情况下依然可以实现输出电压稳定，并且尽量小的纹波，这保证了嵌入式Flash的正确操作。

嵌入式Flash嵌入在芯片内部，芯片外部只会提供一个电源，存储器的读写过程中的电压都要在芯片内部生成，其中包括存储器字线和位线的高电压，因此需要升压电路实现电压升高。升压电路包括电容式升压的电荷泵电路和电感式升压的boost电路，由于电荷泵电路面积较小，集成度较高的优势，因此嵌入式Flash内部的升压电路都采用电荷泵的升压方式。

嵌入式Flash随着嵌入式存储器工艺节点的微缩，可以适配更低工艺节点的MCU，但是更低的工艺节点意味着更低的工作电压，因此需要低电源电压的电荷泵电路实现更低工艺节点下的嵌入式存储器所需的升压要求。

由于供电的电源电压一般存在波动，波动范围在±10~15之间，因此需要电荷泵电路有比较好的电源抑制能力，即电源电压波动时，输出电压不随电源电压改变。因为输出电压对应嵌入式Flash的正确操作，若输出电压改变则存储器擦写操作可能存在错误而导致数据擦写失败。

发明内容

本发明目的在于提供一种低电压范围下低纹波的嵌入式Flash的位线驱动电路，可以在保持高效率和高电源抑制的同时，输出低纹波的高电压，实现嵌入式Flash的正常写操作。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种低电压低纹波的嵌入式Flash的位线驱动电路，包括：

误差放大电路，将输出电路分压之后的电压与参考电压进行比较，得到控制电压信号。

压控振荡电路，根据误差放大器输出的控制电压信号输出多个相位差相同的时钟信号，该电路采用差分型压控振荡电路。

电荷泵升压电路，包括三级四时钟交叉耦合电荷泵和两级受控四时钟交叉耦合电荷泵，用于升高电压。

电荷泵级数切换控制电路，包括电源电压负载电流检测电路和逻辑电路。电源电压负载电流检测电路，检测电源电压和负载电流大小，为电荷泵级数切换电路提供基准；逻辑电路产生切换电荷泵工作级数的控制信号，其中包括时钟开关信号和电荷泵级数开关信号。

低电压电平移位电路，用于电荷泵级数切换电路中生成的控制电荷泵级数开关低电平信号转换成直接控制级数切换MOS管栅极的高电平信号。

所述电荷泵升压电路中，参与升压的级数受电荷泵级数切换电路控制，该控制信号由电荷泵级数切换控制电路产生，并由低电压电平移位电路将其移位为高电平，从而实现控制。

所述的压控振荡电路，压控振荡电路直接生成多个相位差相同的控制信号，控制多个电荷泵升压电路升压，降低输出电压纹波。

所述的位线驱动电路，所有MOS管均为低电压节点的核心MOS，其中包括NMOS、PMOS和深N阱NMOS。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

针对低电压下的高电源抑制比和低纹波的要求，设计可实现级数切换的电荷泵升压电路，电荷泵的级数切换的控制信号由电压检测电路和负载电流检测电路生成的信号逻辑运算之后得到，电荷泵级数切换的方法可以稳定不同电压情况下的电荷泵的负载能力，从而降低纹波电荷泵的纹波大小。同时，本发明的位线驱动电路采用多个时钟控制多个电荷泵升压的方式进一步降低纹波，这样的方式可以降低单个电荷泵的升压电路的输出电流，从而降低纹波。

附图说明

图1是本发明中低电压低纹波嵌入式Flash的位线驱动电路结构示意图。

图2是本发明中用来实现电荷泵级数切换的四时钟交叉耦合电荷泵级数切换级电路结构示意图。

图3是单个电荷泵和多个电荷泵输出情况下输出纹波大小对比的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明，但是所做实例不作为对本发明的限制。

如附图一所示低电压低纹波嵌入式Flash的位线驱动电路结构示意图。

一种低电压低纹波的嵌入式Flash的位线驱动电路，电路中包括：

误差放大电路（EA），将输出电路分压之后的电压与参考电压（VREF）进行比较，得到控制电压信号。

压控振荡电路，根据误差放大器输出的控制电压信号输出多个相位差相同的时钟信号，该电路采用差分型压控振荡电路。

电荷泵升压电路，包括三级四时钟交叉耦合电荷泵和两级受控四时钟交叉耦合电荷泵，用于升高电压。

电荷泵级数切换控制电路，包括电源电压负载电流检测电路和逻辑电路。电源电压负载电流检测电路，检测电源电压和负载电流大小，为电荷泵级数切换电路提供基准；逻辑电路产生切换电荷泵工作级数的控制信号，其中包括时钟开关信号和电荷泵级数开关信号。

低电压电平移位电路，用于电荷泵级数切换电路中生成的控制电荷泵级数开关低电平信号转换成直接控制级数切换MOS管栅极的高电平信号。

所述电荷泵升压电路中，参与升压的级数受电荷泵级数切换电路控制，该控制信号由电荷泵级数切换控制电路产生，并由低电压电平移位电路将其移位为高电平，从而实现控制。

所述的压控振荡电路，压控振荡电路直接生成多个相位差相同的控制信号，控制多个电荷泵升压电路升压，降低输出电压纹波。

所述的位线驱动电路，所有MOS管均为低电压节点的核心MOS，其中包括NMOS、PMOS和深N阱NMOS。

下面对整个位线驱动电路的实施方法进行介绍：

当位线驱动电路开始工作时，电源电压检测模块开始工作，电源电压输出两个控制信号将电源电压分为三个不同的阶段，此时电流检测电路输出为低电平，级数切换控制电路输出一个预设的级数切换控制信号，该信号由低电压电平移位电路变为高电平控制信号，用于控制电荷泵升压电路向输出端输出电流。位线驱动电路的输出电压的稳定是通过误差放大器、压控振荡器和电荷泵升压电路构成的负反馈环路控制实现的。控制逻辑如下，当输出电压高于既定的输出电压时，输出电压被电阻分压后通过误差放大器放大该电压与基准电压VREF之间的差值，误差放大器的输出给到压控振荡器，控制压控振荡器的振荡频率降低，从而使得输出电压降低，最终稳定的输出电压大小为Vout=VREF*(R1+R2)/R2。

如附图2所示，是用来实现电荷泵级数切换的四时钟交叉耦合电荷泵级数切换级电路结构示意图，当控制信号stage_control低于附近电压一个Vdd的时候，stage_control控制的三个PMOS管开启，该级电荷泵不参与升压；相反，当控制信号stage_control等于或略高于附近电压的时候，stage_control控制的三个PMOS管关闭，该级电荷泵参与升压。

如附图3所示，是单个电荷泵和多个电荷泵输出情况下输出纹波大小对比的示意图。针对低电压下的高电源抑制比和低纹波的要求，设计可实现级数切换的电荷泵升压电路，电荷泵的级数切换的控制信号由电压检测电路和负载电流检测电路生成的信号逻辑运算之后得到，电荷泵级数切换的方法可以稳定不同电压情况下的电荷泵的负载能力，从而降低纹波电荷泵的纹波大小。同时，本发明的位线驱动电路采用多个时钟控制多个电荷泵升压的方式进一步降低纹波，这样的方式可以降低单个电荷泵的升压电路的输出电流，从而降低纹波。纹波的公式可以表示为

其中Vr为电压纹波，

上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。