專利名稱：負電荷泵的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及集成電路電荷泵，特別涉及用于驅動白色LED的負電荷泵。
背景技術：
電荷泵是可以為電子電路提供電功率的器件。電荷泵提供比其輸入電壓高的受控制的輸出電壓，在正電荷泵的情況下，在正輸出與負電源之間建立增大的電壓。或者，負電荷泵是能夠提供比正電源與它的負輸出之間的輸入電壓的幅度大的電壓的電荷泵。通常，電荷泵是以電容器和振蕩器為基礎的電路，它將DC輸入電壓轉換成DC輸出電壓，DC輸出電壓的電壓值可以更大，更小或者是反相的。此外大多數的電荷泵能按各種模式操作。通常，這些模式是1x，1.5x，2x或更高。這些模式指示的輸出電壓是輸入電壓的幾倍，并指示用泵激勵的數量和所用電容器的轉換數量。
圖1顯示出現有的電荷泵，為了了解圖1所顯示的正電荷泵的操作，將各種晶體管作為開關處理。按1x模式，開關MP2、MP3、MP5和MP6閉合，為了防止電容器C2和C3浮動，開關MN1和MN3閉合以保持那些電容器充電。按照模式1.5x，通常在1-10MNz的固定頻率完成兩個閉合。首先，通過閉合開關MN1、MN2和MP5開關，電容器C2和C3從將其限定到電池的電容器C1充電。假設電容器C2和C3具有相同的電容量，那么該充電電容器C2和C3的電壓是電池電壓的一半。然后，全部開關在一瞬間打開，開關MP1、MP3、MP4和MP6閉合，電容器C4在輸出上放電。兩個開關電容器C2和C3并聯加完全電池電壓峰值的一半。
按2x模式，在相同頻率完成兩個閉合。首先，閉合開關MN1、MP2、MN3、和MP5，電容器C2和C3從電容器C1充電到全電池電壓。全部開關在一瞬間打開，然后，開關MP1、MP3、MP4和MP6閉合，放電到電容器C4。兩個開關電容器并聯加完全電池電壓在第一電池電壓的峰值上，結果，按2x模式操作。
注意，就正電荷泵而言，開關器件中的三分之二在高電壓一邊運行。這就要求比對應的N溝道MOSFET或NPN雙極性晶體管大50-100％的P溝道MOSFET或PNP雙極性晶體管在負邊配對。換句話說，如圖1所顯示的，九個開關晶體管中有六個晶體管是P-型，只有三個晶體管是N-型。結果，正電荷泵必然大。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是，提供一種負電荷泵，占據較小的集成電路空間，以便安裝到更小的封裝外殼中。
為實現如上目的，本發(fā)明提供了一種半導體襯底上形成的負電荷泵，包括電功率源，具有連接到所述襯底的第一端和連接到高電壓端的第二端；連接在所述的高電壓端與所述的襯底之間的輸出電容器；連接在所述的高電壓端與所述的襯底之間的多個充電電容器，連接到所述高電壓端的所述充電電容器用第一組晶體管開關，連接到所述襯底的所述充電電容器用第二組晶體管開關；其中，所述第二組晶體管開關是NMOS晶體管，所述第一組晶體管開關是PMOS晶體管開關。
本發(fā)明提供的負電荷泵還包括按停機模式操作的監(jiān)控電路，用于將輸出電壓鉗制到所述的負電源電壓。
本發(fā)明提供的負電荷泵中所述的第二組開關中的至少一個開關用多個晶體管形成，在軟啟動模式中，多個晶體管交替開關。
與現有技術相比，本發(fā)明的負電荷泵主要用n-溝道晶體管開關，占據較小的集成電路面積，能夠安裝到更小的封裝外殼中。


圖1是現有LED用途中用的電荷泵的示意圖；圖2是LED用途中用的按本發(fā)明形成的電荷泵的示意圖；圖3A和3B分別是現有的電荷泵和按本發(fā)明的電荷泵在1X模式操作過程中的電路圖；圖4A和4B分別是現有的電荷泵和按本發(fā)明的電荷泵在1.5X模式操作過程中的電路圖；圖5A和5B分別是現有的電荷泵和按本發(fā)明的電荷泵在2X模式操作過程中的電路圖。
具體實施例方式
在以下的詳細說明中，通過所提供的許多具體細節(jié)可以更充分了解本發(fā)明的實施例。但是，本行業(yè)的技術人員將會發(fā)現，沒有所述的許多細節(jié)中的一個或多個，也可以用其他的多種方法、元件和材料來實施本發(fā)明。為了避免造成本發(fā)明的技術方案不清楚，在其他的例子中沒有顯示和詳細描述已知的結構、材料或操作。
參見描述‘一個實施例’或‘實施例’的本說明書全文，結合實施例描述的具體特征、結構或特性包括在至少一個實施例中。因此，在本說明書全文中的各個地方中出現的‘一個實施例中’或‘實施例中’的短語不必都要涉及同一實施例。而且，在一個或多個實施例中，可以按適當的方式組合多個具體特征、結構或特性。
圖2顯示出按本發(fā)明形成的負電荷泵。如圖所顯示的，按本發(fā)明的電荷泵與現有電荷泵類似，其差別是(1)用p-型器件代替n-型器件，和(2)用n-型器件代替p-型器件。操作的原理與圖1所顯示的現有電荷泵的操作原理相同。由于圖2所顯示的電路用的六個n-溝道MOSFET代替六個p-溝道MOSFET，這就使構成的電路小到可以構成為集成電路。通常，p-溝道晶體管比等效的n-溝道晶體管大50-100％。
負電荷泵的一個要求是電荷泵的激勵作用必須相對于正電源低于地或管芯的襯底。就許多管芯而言，該方法要求襯底開關轉換和激勵，以使襯底保持在最負的電位。如果管芯的襯底升高二極管電壓高于管芯上的最低電位，那么，管芯正偏置它的襯底和出現閉鎖缺陷。正電荷泵的輸出可以下降低于它的正電源，但是，負電荷泵不能具有升高到負電源以上沒有任何保護的輸出。當它的輸出激勵到低于負電源時，襯底連接到輸出和用輸出向下激勵以防止正偏置。在所有模式之間的軟啟動轉換過程中，則監(jiān)測襯底和輸出以確定它是否接到負電源上。如果是，那么，襯底和輸出鉗位到負電源，以防止任何進一步可能的正偏置。當激勵作用恢復時該鉗位釋放。
圖2所顯示的電路的操作與現有電路的操作類似。正如以上所看到的，負電荷泵主要用多個n-溝道晶體管。圖3A顯示出用于現有的按1x模式操作的電荷泵。在1x模式中，多個開關晶體管MP2、MP3、MP5和MP6閉合。多個晶體管MN1和MN3也閉合。圖3A中顯示出電路的結果，它顯示出電池電壓VB加到輸出電容器C4上。
同樣地，本發(fā)明按1x模式操作，如圖3B所顯示的，開關晶體管MP1和MP3閉合。此外，晶體管MN2、MN3、MN5和MN6閉合。結果，在輸出電容器C4上存在負電池電壓。作為充電電容器的電容器C1、C2和C3經開關MP1、MP2和MP3連接到高電壓端。電容器C1、C2和C3還經開關MN1-MN6連接到低電壓電位。同樣，輸出電容器C4連接在低(負)電壓電位(通常是襯底)與高電壓端之間。
圖4B中顯示出用于本發(fā)明的充電狀態(tài)中和升壓狀態(tài)中的電路布局。充電狀態(tài)中，MP1、MP2和MN5全部閉合。這就使圖4B所顯示的電路進入充電狀態(tài)。在升壓狀態(tài)中，晶體管MN1、MN3、MN4和MP6全部閉合。其余的晶體管打開。構成的電路顯示在圖4B中。正如從圖4B看到的，構成的電路提供的加到電容器C4上的輸出電壓是電池電壓VB的1.5倍。圖4A中顯示出用于現有的正電荷泵的類似的充電和升壓電路。
參見圖5B，當按本發(fā)明的負電荷泵用在2x模式中時，在充電狀態(tài)下，晶體管MP1、MP3、MN2和MN5全部閉合。其余的晶體管打開。圖5B顯示出在熱充電狀態(tài)下所構成的電路圖。圖5A中顯示出在其充電狀態(tài)中的對應的現有正電荷泵。在升壓狀態(tài)中，圖5B中，晶體管MN1、MN3、MN4和MN6全部閉合。其余的晶體管打開。生成的加到電容器C4上的輸出電壓是電池電壓VB的兩倍。圖5A中顯示出現有的正電荷泵升壓狀態(tài)下的電路。
正如從以上的描述和圖3-5中看到的，負電荷泵的操作與現有的正電荷泵的操作類似。但是，有利的是，負電荷泵要求更小的集成電路實際占據空間，以便安裝到更小的封裝外殼中。
輸出的安全模式因此，要注意，在集成電路禁用或無效時，電荷泵的使用要求襯底不允許浮動。就正電荷泵而言，輸出電壓可以衰減到低于正電源電壓。應用二極管來避免它進一步消耗是安全的，也不會有閉鎖問題。但是，在負電荷泵中，應控制襯底，以防止它升高到高于負電源電壓。如果允許升高二極管的電壓高于負電源電壓，則會出現閉鎖。某些實施例中，用肖特基二極管的減小的正電壓起該作用。在襯底相關的多個二極管導通之前可以鉗制輸出電壓下降。但是，在瞬時操作過程中，使肖特基二極管就位，仍然可以使襯底導通。為了防止出現這種情況，按照本發(fā)明的另一個技術方案，低電流監(jiān)控電路按停機模式運行，或者，在激勵模式之間的轉換過程中運行，隨著輸出電壓衰減回到負電源電壓制動輸出電壓。一旦輸出處于負電源電壓電平，監(jiān)控電路導通開關MN2、MN3、MN5和MN6，使輸出直接連接到負功率電源。該任務一旦完成，監(jiān)控電路本身停機，因而不會有進一步的電功率泄漏。
輸出軟啟動而且，由于按固定頻率操作，所以用MN2和MN5開關的分段軟啟動。在一個實施例中，開關MN2和MN5每個都作為多個晶體管運行，例如，作為三個分開的晶體管運行。在初始操作狀態(tài)，在一個實施例中，最少三個晶體管操作固定的周期數。然后，第二晶體管與第一晶體管組合再開始操作多個周期。最后，第三晶體管啟動，使全部三個晶體管操作。按該方式，隨著順序使用最小數量到最大數量的晶體管，按固定的時間步接通供給的凈電功率，實現器件的軟啟動。軟啟動完成后，全部三個晶體管同時導通和斷開。
從以上的描述看到，為了顯示本發(fā)明已經說明了本發(fā)明的具體實施例，但是，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，本發(fā)明還有各種改進。因此，除了由所附的權利要求書限定的本發(fā)明內容外，本發(fā)明不受上述說明的限制。
權利要求
1.半導體襯底上形成的負電荷泵，包括電功率源，具有連接到所述襯底的第一端和連接到高電壓端的第二端；連接在所述的高電壓端與所述的襯底之間的輸出電容器；連接在所述的高電壓端與所述的襯底之間的多個充電電容器，連接到所述高電壓端的所述充電電容器用第一組晶體管開關，連接到所述襯底的所述充電電容器用第二組晶體管開關；其特征是，所述第二組晶體管開關是NMOS晶體管，所述第一組晶體管開關是PMOS晶體管開關。
2.如權利要求1所述的負電荷泵，還包括按停機模式操作的監(jiān)控電路，用于將輸出電壓鉗制到所述的負電源電壓。
3.如權利要求1所述的負電荷泵，其特征在于，所述第二組開關中的至少一個開關用多個晶體管形成，在軟啟動模式中，多個晶體管交替開關。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導體襯底上形成的負電荷泵，它包括電功率源，具有連接到所述襯底的第一端和連接到高電壓端的第二端；連接在所述的高電壓端與所述的襯底之間的輸出電容器；連接在所述的高電壓端與所述的襯底之間的多個充電電容器，連接到所述高電壓端的所述充電電容器用第一組晶體管開關，連接到所述襯底的所述充電電容器用第二組晶體管開關；其中，所述第二組晶體管開關是NMOS晶體管，所述第一組晶體管開關是PMOS晶體管開關。在一種用途中，負電荷泵用于驅動白色LED。負電荷泵主要用n－溝道晶體管開關，占據較小的集成電路面積。而且，在啟動電荷泵中用軟啟動機構。
文檔編號H01L21/822GK1627615SQ200410085609
公開日2005年6月15日 申請日期2004年10月9日 優(yōu)先權日2003年10月14日
發(fā)明者柯蒂斯·B·小羅賓遜 申請人:美國芯源系統(tǒng)股份有限公司