电压调节器装置、对应的方法和数据存储系统

本申请要求于2022年4月1日提交的意大利申请No.102022000006488的权益，该申请通过引用并入本文。

技术领域

本说明书涉及电压调节器装置。例如，一个或多个实施例可以被应用于电荷泵装置。一个或多个实施例可以被应用于数据存储系统，例如以产生高操作电压来对被配置为存储数据的闪存存储器单元进行编程。

背景技术

电荷泵电路是一种电压调节器(或DC-DC转换器)，其被配置为接收DC电源电压，并且包括作为能量存储元件的电容器以提供高于或低于输入DC电源电压的输出DC电压。

电荷泵电路例如从美国专利No.10038372中已知。

在一些情况下，电源电压可以在低值(例如，大约1.55V)和高值(例如，大约3.6V)之间变化。

电压调节器可以耦合到变化的负载以提供输出DC电压，使得负载中流动的电流的强度也可以变化。根据负载的种类，输出DC电压的纹波可能具有有限的接受度范围。

闭环控制系统可以耦合到电荷泵以调节由此提供的输出电压。

电荷泵电路设计可以涉及最坏场景而对电容器的数量、相应的电容和时钟频率进行标准制定(sizing)，其中例如：

输入电源电压处于最小值，

负载中的电流预计将处于最大强度，

输出电压的纹波达到最大容限，

温度值处于最坏情况下的拐角水平。

为了匹配这些最坏情况条件下(例如，处于低电源电压)的性能，电荷泵电路参数可能过大。

结果，电荷泵装置可能呈现过大的占地面积，导致在与最坏情况不同的操作场景中过度消耗功率。

此外，现有的解决方案存在以下缺点中的一个或多个缺点：

在低功率模式下工作时，关于由泵消耗的电流的控制中涉及的不可忽略的电流消耗，

难以提供能够响应于高驱动能力水平需求而快速反应的系统，

难以提供电源电压的斜坡/变化速度与闭环控制的连续性之间的兼容性。

发明内容

实施例在电荷泵电路的操作条件下提供降低的功耗。

实施例可以涉及闪存存储器系统和相关方法。

一个或多个实施例提供了一种使电荷泵的参数适应操作条件(例如，电源电平、请求的电流、纹波)的方式。

例如，本文中所例示的解决方案有助于降低电压调节器(诸如电荷泵)中的功耗。

一个或多个实施例有助于将调节器(或转换器)装置中的功耗与其特定应用的性能需求对齐。

例如，一个或多个实施例有助于基于在电荷泵级处感测到的感测信号超过或未超过用户可选择的阈值水平而经由改变数个(例如，电荷泵)级来使转换器性能适应电源电压电平。

一个或多个实施例有利地利用迟滞比较器来对电源电压上的噪声进行滤波。

例如，当电源电压所具有的与比较器阈值大致相同时，使用迟滞比较器可以通过还抵消连续开关的风险来促进节能。

附图说明

现在将参考附图仅通过非限制性示例的方式描述一个或多个实施例，在附图中：

图1-图2是根据本公开的电荷泵电路的示例图；

图3是电荷泵电路中的时钟生成器的示例图；

图4是根据本公开的控制电路的示例图；

图5是根据本公开的比较器电路的图；

图6是可以在一个或多个实施例中使用的信号的时序图；以及

图7-图12是根据本公开的基于一个或多个替代实施例的原理的示例图。

除非另有说明，否则不同附图中对应的数字和符号通常指代对应的部分。

绘制附图以清楚地图示实施例的相关方面，并且附图不一定按比例绘制。

附图中绘制的特征的边缘不一定指示特征范围的终止。

具体实施方式

在接下来的描述中，示出了一个或多个具体细节，旨在提供对本描述的实施例的示例的深入理解。可以在没有一个或多个具体细节的情况下或者通过其他方法、组件、材料等获得实施例。在其他情况下，未详细说明或描述已知的结构、材料或操作，以使得将不会混淆实施例的某些方面。

在本说明书的框架中提及“实施例”或“一个实施例”旨在指示关于该实施例描述的特定配置、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，可能出现在本说明书的一个或多个点中的诸如“在实施例中”或“在一个实施例中”之类的短语不一定指代一个且相同的实施例。

此外，在一个或多个实施例中，可以以任何适当的方式来组合特定的构造、结构或特性。

附图为简化形式并且未按精确比例绘制。

贯穿本文所附的附图，除非上下文另有说明，否则相似的部分或元件用相似的附图标记/标号来指示，并且为了简洁起见，将不再对每个附图重复对应的描述。

本文中所使用的附图标记仅为方便起见而被提供，并且因此不限定保护范围或实施例的范围。

为了简单起见，在下面的详细描述中，可以使用相同的参考符号来指示电路中的节点/线和可能出现在该节点或线处的信号。

电压调节器或DC-DC转换器装置(诸如电荷泵)，例如可以具有多种电路布置或拓扑结构。

如图1中所例示，闪存存储器系统FL包括装置10，装置10包括耦合到相应的泵调节器(或电压调节器)30的(例如，Dickson型)电荷泵电路。

如本文中所例示的，一种数据存储系统FL包括：

电源电压源VDD，被配置为提供参考地GND的电源电压电平VDD，

如图1和图2中所例示的一组装置10、20，该组装置被配置为基于所述电源电压电平VDD来在一组输出节点V

一组数据存储单元C

例如，所述一组数据存储单元中的数据存储单元被配置为被编程为经由接收到的一组输出电压来存储数据。

如图1中所例示，装置10包括：

电源节点VDD，被配置为耦合到电源以从电源接收电源电压VDD，

多个电荷泵级101、10J、10N，包括例如级联耦合在它们之间的电荷泵级，多个电荷泵级101、10J、10N耦合到电源节点VDD以从其接收电源电压VDD，并且基于电源电压VDD而在相应的输出节点V

负载阻抗C

如图1中所例示，多个电荷泵级101、10J、10N中的电荷泵级包括电容支路C

例如，多个电荷泵级101、10J、10N中的多个开关晶体管M

如图1中所例示，多个开关级101、10J、10N包括：开关级的第一子集101、10N，包括相应开关晶体管M

在示例性场景中，电荷泵电路可以提供的最大输出电压电平可以被表达为：

其中VDD是电源电压电平，并且N是电荷泵级101、10J、10N的数目。

仍然在所考虑的示例性场景中，在负载电阻Z

其中fc是时钟信号CK的频率。

仍然在所考虑的示例性场景中，在电源VDD中耗散的电流IDD与被提供给负载Z

IDD＝ηI

其中η是无效率因子并且与电荷泵级101、10J、10N的数目N成正比。

在各种示例性场景中，接收到的电源电压电平VDD可以在很宽的值范围内变化。例如，关于经调节的输出电压电平V

一个或多个实施例提供了一种基于输入电源电压电平VDD来调整装置10中使用的级/模块101、10J、10N的数目N的方法。

例如，在一个应用场景中，选择电荷泵级101、10J、10N的数目N以便减少(例如，减少到最小)在电源生成器VDD中耗散的电流IDD。

如图1中所例示，电荷泵电路优选地包括被配置为(例如，从控制逻辑电路块100)接收至少一个控制信号CTRL的多个开关S

例如，第j开关(例如，S

在一个或多个实施例中，控制信号CTRL可以是1位或多位数字信号。

为了简单起见，下面主要参考1位控制信号CTRL来讨论实施例的基本原理，否则应理解这样的位数仅仅是示例性的并且决不是限制性的。

例如：

当控制信号CTRL被生效(asserted)为具有第一(例如，“1”或“高”)值时，第j开关(例如，S

当控制信号CTRL被生效为具有第二(例如，“0”或“低”)值时，第j开关(例如，S

如本文中所例示的，控制信号CTRL的至少一位可以基于电源电压电平VDD超过或未超过特定阈值而被生效为具有第一(例如，“1”或“高”)或第二(例如，“0”或“低”)逻辑值，如下面所讨论的。

如图1中所例示，多个开关级101、10J、10N中的开关级被布置成具有通过其的电流路径，该电流路径级联在装置10的输出节点V

下面主要关于被用来选择性地绕过(bypass)电荷泵级/模块的图1或图2中所例示的开关S

一个或多个实施例可以免除这种开关布置。例如，在替代场景中，驱动信号CTRL可以被直接提供给电荷泵级101、10J、10N，用于选择性地绕过多个电荷泵模块101、10J、10N中的相应电荷泵模块(例如，使用控制信号CTRL作为使能信号来接通/关断可切换的电荷泵级或模块101、10J、10N)。

如图2中所例示，多个电荷泵级(或模块)101、10i、10N可以被布置为形成替代性电荷泵电路拓扑结构20，其中多个电荷泵模块101、10J、10N耦合在它们之间，例如并联堆叠在电源节点VDD与输出节点V

如图1中所例示，多个开关级101、10J、10N中的开关级被布置成具有通过其的电流路径，从而在装置20的输出节点V

在图2中所例示的替代方案中，装置20优选地包括多个开关S

例如，图2中所例示的电荷泵电路20的多个电荷泵电路模块101、10J、10N分别经由时钟信号CK

仍然在所考虑的示例中，配置20通过改变操作电荷泵级101、10J、10N的数量来减少在输出电压V

-响应于VDD的增加而改变(例如，减少)耦合级的数目，和/或

-改变(例如，降低)时钟信号CK

如本文中所例示的，控制信号CTRL的至少一位可以基于电源电压电平VDD高于或低于特定阈值而被生效为具有第一或第二逻辑值，如下面所讨论的。

如图1和图2中所例示，就闪存存储器系统FL而言，降低功率耗散可能是有利的，其中电压调节器10可以被用来对存储器系统FL的负载数据单元C

为了简单起见，主要参考包括三个级101、10J、10N的装置10、20来讨论基于本文中所例示的解决方案的原理，否则应理解为这样数目的级/模块101、10J、图10N仅仅是示例性的并且决不是限制性的，因为理论上可以采用大于两个电荷泵级/模块101、10J、10N的任何数目。如图1和图3中所例示，装置10、20的时钟信号CK是经由时钟生成器(或泵调节器)电路块30产生的。

在一个或多个实施例中，文献US10038372B2中讨论的电路可以适合用作时钟生成器电路块30以产生用于电荷泵电路10、20的时钟信号CK。

如图3中所例示，时钟生成器电路块30包括：

分压器31(例如，包括级联的晶体管Q

动态比较器32(本身已知)，包括耦合到分压器31的第一输入节点V

第二输入节点V

同步节点S

如图3中所例示，比较器32被配置为执行在感测信号V

例如，时钟信号CK响应于反馈信号V

如图3中所例示，比较器32仅在同步信号S

如图4中所例示，控制电路40被配置为提供控制信号CTRL(例如，驱动开关S

感测电路装置41(例如，包括参考地而级联的二极管晶体管D

至少一个比较器50，包括耦合到分压器41的第一输入节点V

如图4中所例示，可选的RC网络电路R、C优选地被插置在输入电源VDD与分压器41之间，RC网络R、C被配置为对可能存在于由电源生成器VDD输出的电源电压VDD上的纹波进行滤波(例如，以同步信号S

如图4中所例示，比较器50还包括被配置为接收同步信号S

通过比较图3和图4中所图示的同步信号S

例如，同步信号S

如图4中所例示，控制电路40包括多个比较器50、501，例如：

第一(例如，迟滞)比较器50，包括耦合到分压器41的第N二极管晶体管D

第二(例如，迟滞)比较器501，包括耦合到第一二极管晶体管D

在一个或多个示例性情况下，与装置10、20中的电荷泵级101、10J、10N的数量无关地确定控制电路40中使用的比较器50、501的数量。

例如，可以经由同一控制信号CTRL选择性地绕过一个以上的模块101、10J、10N(例如，用同一控制信号CTRL驱动一个以上的开关S

例如，基于待检测的阈值VT

在示例性情况下，例如，感测电路41的分压器具有的二极管数目N等于时钟生成电路块30中的分压器31中的二极管的数目。

将感测电路41中的二极管的数目与泵调节器30的分压器31中的二极管的数目相匹配有助于将参考阈值VT

如图1至图4中所例示，装置10、20包括：

电源节点VDD，被配置为耦合到电源电压源以从其接收电源电压VDD；

输出节点V

多个开关级101、10J、10N，被耦合到电源节点以从其接收电源电压，并且被耦合到输出节点以向其提供输出电压；

感测电路41，被耦合到电源节点VDD以基于电源电压VDD从其感测至少一个感测信号V

驱动电路40；100，被耦合到感测电路以接收至少一个感测信号，并且被耦合到多个开关级以提供驱动信号CTRL。例如，驱动电路被配置为：

基于至少一个感测信号V

基于驱动信号CTRL来选择性地绕过多个开关级中的选定数目的开关级，结果改变提供给输出节点的输出电压电平V

如图1或图2中所例示，装置还包括耦合到多个开关级和驱动电路的多个旁路开关S

多个旁路开关中的旁路开关包括被配置为接收驱动信号的相应控制节点，和被配置为基于驱动信号而导通或不导通的通过其的相应电流路径；

基于所述驱动信号而使所述多个旁路开关中的旁路开关的电流路径导通，以选择性地绕过所述多个开关级中的所述选定数目的开关级，并且

被提供给输出节点的输出电压电平根据被绕过的多个开关级中的所述选定数目的开关级而变化。

在一个或多个示例性情况下，驱动电路40中的比较器50、501包括动态比较器32，如前文(主要参考图3)所讨论的那样。

在替代的示例性情况下，控制电路40中的比较器50、501包括迟滞比较器，如下面(主要参考图5)所讨论的。例如，当电源电压VDD具有接近(一个或多个)阈值电压电平VT

如图5中所例示，迟滞比较器50包括：

第一晶体管对(例如，匹配的)T1、T2，包括具有被配置为接收(例如，第一V

第二晶体管对T3、T4，包括第三晶体管T3和第四晶体管T4，第三晶体管T3具有耦合到第一晶体管T1的控制节点的相应控制节点，第四晶体管T4具有耦合到第二晶体管T2的控制节点的相应控制节点，第三晶体管T3和第四晶体管T4在其间具有公共(例如，源极)节点，并且该公共节点耦合到第一晶体管对T1、T2的第一晶体管T1和第二晶体管T2的公共节点，

第一平衡开关T5，被耦合到第一晶体管T1和第三晶体管T3，并且被配置为基于在第一开关T5的相应控制节点处接收到的控制信号Q来选择性地耦合在其间的相应晶体管节点，

第二平衡开关T6，被耦合到第二晶体管T2和第四晶体管T4，并且被配置为基于在第二开关T6的相应控制节点处接收到的偏置信号V

第三开关T56，被耦合到第一开关T5和第二开关T6，并且被配置为与同步信号S

一组反相器电路501、502、503，被耦合到第一和第二晶体管T1、T2对，并且被配置为提供输入信号V

耦合到电源节点VDD的耦合开关对T7、T8，该偏置开关对包括耦合到第一晶体管T1的第一耦合晶体管T7和耦合到第二晶体管T2的第二耦合晶体管T8，其中第一耦合晶体管T7和第二耦合晶体管T8被配置为当同步信号S

序列逻辑电路504，被耦合到反相器组501、502、503并且被耦合到第一开关T5，序列逻辑电路504被配置为接收比较信号(例如，CTRL<1>)并经由同步信号S

如图5中所例示，第二晶体管对T3、T4中的晶体管T3和T4可以是第一匹配晶体管对T1、T2中的相应晶体管的缩放复制物。例如，T3和T4可以具有第一晶体管T1的尺寸的两倍，而这等于第二晶体管T2。

如图5和图6中所例示，迟滞比较器50的迟滞行为是与同步信号S

如图6中所例示，驱动信号Q在所考虑的相位之前的相位中具有输出信号CTRL<1>的值。

如图6中所例示，例如：

在第一时刻K0，对应于同步信号S

在第二时刻K1，在第一时刻K0之后的同步信号S

如图6中所例示，该过程对于输入信号正在下降的情况，并非完全对称地工作。例如：

在第三时刻K2，对应于同步信号S

在第四时刻K3，在第三时刻K2之后的同步信号S

如图5和图6中所例示，比较器50是迟滞的，因为输出比较信号CTRL<1>不仅考虑输入感测信号V

如本文中所例示的，至少一个感测信号V

如图4中所例示，感测电路41包括整数数目N的感测电路级D

在感测电路级中的第一感测电路级D

在感测电路级中的第N感测电路级D

如图4中所例示，驱动电路包括：

第一比较器50，被配置为：响应于第一感测信号超过第一参考阈值VT

第二比较器501，被配置为：响应于所述第二感测信号V

组合逻辑42，被配置为逻辑组合(logically combie)第一比较信号CTRL<0>和第二比较信号CTRL<1>，从而提供驱动信号CTRL作为逻辑组合42的结果。

如图4至图6中所例示，驱动电路包括：第一比较器50，被配置为检测第一感测信号的第一时变斜坡，并被配置为响应于第一感测信号超过第一参考阈值VT

例如，驱动信号CTRL是多位数字信号，其包括等于第二比较信号的最低有效位和等于第一比较信号的最高有效位。

如本文中所例示的，其中该装置包括位于电源节点VDD和感测电路41中间的RC网络R、C，RC网络被配置为从电源节点接收电源电压电平VDD并对其应用滤波，之后向感测电路41提供经滤波的电源电压电平VDDf。

如图4中所例示，控制信号CTRL是通过组合(例如，在组合电路块42中)1位信号CTRL<0>、CTRL<1>来形成的数字信号，1位信号CTRL<0>、CTRL<1>由迟滞比较器50输出并被用来(例如，通过驱动开关S

例如，在第一参考电压电平VT

当(经滤波的)电源电压电平VDD、VDDf低于第二参考电压电平VT

当(经滤波的)电源电压电平VDD、VDDf低于第一参考电压电平VT

当(经滤波的)电源电压电平VDD、VDDf高于第一参考电压电平VT

如图1、图2和图4中所例示，基于利用图4中所例示的控制电路40、42获得并被实现到图1中所例示的控制电路100中的控制信号CTRL，可以选择性地激活/去激活图1中所例示的电荷泵电路10(或图2中所例示的电荷泵电路20)的一个或多个级101、10J、10N(例如，向开关S

注意，可以使用两个以上的比较器50并且可以选择两个以上的参考电压电平VT

例如，第三比较器可以在控制电路40中的分压器41的二极管D

如图7至图12中所例示，在电荷泵包括“束(bundle)”布置20的情况下，控制电路100还可以被配置为驱动时钟信号CK

如图7中所例示，在包括三个电荷泵级101、10J、10N的电荷泵20的示例性情况下，在VDD处于最小值的“最坏情况”中，控制电路100驱动开关S

如图8中所例示，在这样的配置中，控制电路100驱动(例如，同时)开关S

如图8中所例示，输出电压可能经历纹波V

如图9和图10中所例示，响应于至少一个感测信号V

如图10中所例示，将电荷泵级10J、10N去耦导致输出电压VOUT上的电压纹波V

如图11中所例示，作为图9的示例性情况的替代方案，响应于至少一个感测信号V

如图12中所例示，将电荷泵级10N去耦并改变时钟信号CK

如图11中所例示，关于图10的解决方案，随着更多的级保持连接到输出节点，由每级101、10J提供的电流可以具有较低的强度，例如，I

如本文中所例示的，多个开关级101、10J、10N中的开关级被配置为：响应于具有相应时钟周期的相应时钟信号CK

根据所述选定数目的开关级，来改变所述多个开关级中的开关级的相应时钟信号的周期并对其应用相移，

结果，改变了提供给装置的输出节点的输出电压电平V

如本文中所例示的，操作装置20包括：

基于电源电压VDD来感测41至少一个感测信号V

基于所述至少一个感测信号V

基于驱动信号CTRL：

选择性地绕过40、100的在所述多个开关级101、10J、10N中的所述选定数目的开关级；以及

根据所述选定数目的开关级来改变提供给所述多个开关级101、10J、10N中的开关级的时钟信号的周期(例如，将周期乘以未被选择性地绕过的剩余级的数目)，

对提供给所述多个开关级101、10J、10N中的开关级的时钟信号进行相移，使得它们在其间处于反相(或正交)，

结果，改变了提供给装置的输出节点的输出电压电平V

为了简单起见，前面的讨论主要集中在使用电容器C

另外将理解，伴随本描述的附图中所例示的各种个体实施选项不一定旨在被采用在附图中所例示的相同组合中。因此，一个或多个实施例可以单独地和/或以相对于附图中所例示的组合的不同组合来采用这些(否则是非强制性的)选项。

在不损害基本原则的情况下，细节和实施例可以在不背离保护范围的情况下相对于仅作为示例进行描述的内容而发生变化，甚至是显著变化。保护范围由所附权利要求定义。