一种电荷泵启动功耗平滑控制的电路和方法与流程

1.本发明涉及非易失性存储器技术领域，尤其涉及超低功耗嵌入式flash。


背景技术：

2.嵌入式nor flash作为非易失性存储器的一种，广泛应用于我们的日常生活，但是由于其结构特点以及工作方式，尤其在数据擦写过程中，我们需要利用电荷泵电路将输入低电压抬升到高压。以浮栅型p-flash为例(图1)，编程时对cg端加高压，bl端加负压，以btbt方式把电子注入浮栅；擦除时需对cg端加负电压，其他端加正电压，利用fn效应将浮栅中电子清除。然而在电荷泵工作过程中尤其是大负载高压信号建立过程中，电流消耗极大，不仅对bg提出了更高的要求，也限制了产品的应用场景。基于此，我们希望flash在不同工作模式中，即使是需要电荷泵满负荷运转的模式中，仍能将将功耗控制在一个相对较低的范围。


技术实现要素：

3.为实现上述需求，本发明提供了一种电荷泵(pump)启动功耗平滑控制方法，通过提供与电荷泵电压成比例关系的信号的分压电路，负责提供电荷泵基础时钟并带有计时功能的分频计数电路，检测当前电荷泵输出电压的电压检测电路，产生电荷泵所需时钟的时钟电路，电荷泵以及负责以上电路控制的控制电路组成的环路实现。方法依据flash不同的工作模式，及其相应的电荷泵负载状况，利用控制电路接受将电荷泵建立细分为段数可调，总时间相对固定的若干阶段。
4.从电荷泵建立伊始，控制电路会控制分频计数电路选择相应的分频时钟给时钟电路，用于生成电荷泵时钟以驱动电荷泵升压。同时电荷泵电压通过分压电路将分压点反馈至电压检测电路，一旦分压点电位达到控制电路的设定值，检测电路会传递标志信号给控制电路，此后控制电路会根据实际情况停止电荷泵时钟或者降低电荷泵的时钟振幅使电荷泵电压稳定在当前电位上。
5.随即该段时间走完，分频计数电路输出标志信号并进入下一段计时，控制电路会重新选择电压检测电路的参考电压或控制电平转换模块重新选择电荷泵电压的分压比例，同时会根据实际情况选择下一阶段时钟分频供时钟发生电路产生电荷泵时钟，电荷泵时钟的变化使电荷泵主体电路继续升压直至升压至控制电路所设定的下一个电压值。
6.如此反复，电荷泵一步一步地按照既定时间和既定目标逐渐升压直至达到最终电位。
7.本方法的重点是控制电路将电荷泵电压建立细分为众多阶段，电荷泵的建立表征为阶梯升压。又因为控制电路会相应调整每一段时间长度和升压幅值，使得电荷泵建立与一般的线性阶梯波形不同，可以是非线性类似曲线的形态升压。由于对电荷泵升压的每一阶段的时钟频率及能力进行控制控制，得以在电荷泵启动和建立阶段，最大限度地将功耗压制在预定范围之内。同时，由于电荷泵升压的每一个阶段都被严格控制，可以较容易实现
不同工艺角下完全相同的电压建立波形，这将对控制flash擦写深度的一致性大有裨益。
8.理论上，只要升压时间足够长各段升压幅度足够小，电荷泵升压阶段功耗可以无限接近建立稳定后的数值，但是不同工作模式对各个电压信号的建立时间基本上都有严苛要求，就需要更合理地分配电荷泵的升压段数，各段时间以及升压幅度。
9.本方法同时适用于正电压电荷泵和负电压电荷泵建立时的功耗控制。
10.本发明设计了若干个分频计数模块-逻辑控制模块-电平转换模块-分压电路-电压检测模块-时钟产生模块-电荷泵模块组成的既可独立控制，又存在一定关联的环路(参考图2图3)。
11.当用于产生正电平时，负责正电平的控制环路(100)包括分频计数电路(101)，控制电路(102)，电平转换模块(103)，分压电路(104)，电压检测电路(105)，时钟电路(106)以及电荷泵(107)。其中：
12.分频计数电路(101)：输入端口包括误差范围符合要求的时钟信号osc，来自控制电路(102)的总线控制信号op《x1:y1》，op《x2:y2》和复位信号rstp；输出端口则分别为经分频处理后连接至时钟电路(106)的时钟信号oscp和输出到控制电路(102)的总线信号vppramp《m1:0》；
13.控制电路(102)：输入信号包括来自电压检测电路(105)的电荷泵升压标志信号vdetp和分频计数电路(101)的总线信号vppramp《m1:0》,其总线位数与升压阶梯段数相关；输出信号则分别为时钟电路(106)的总线信号op《x0:y0》,连接到分压电路(104)中的总线信号op《x4:y4》,至电平转换模块(103)的op《x3:y3》信号，输出到电压检测电路(105)的纹波控制信号op_rpp以及分频计数电路(101)的总线控制信号op《x1:y1》，op《x2:y2》和复位信号rstp；
14.电平转换模块(103)，接入来自电压控制电路(102)的低电平总线信号op《x3:y3》，输出高电平总线信号hvop《x3:y3》到分压电路(104)；
15.分压电路(104)，输入端连接低电平总线信号op《x4:y4》和高电平总线信号hvop《x3:y3》，输出fdbkp和vrefp信号到电压检测电路(105)中比较器/放大器的同相/反相输入端；
16.电压检测电路(105)，分别接入分压电路(104)的fdbkp，vrefp信号和控制电路(102)的op_rpp；之后输出vddr和ckenb1到时钟电路(106)，前者作为部分电路的供电源，后者则控制电荷泵时钟启停，此外还输出标志信号vdetp到控制电路(102)用于其内部逻辑切换；
17.时钟电路(106)，输入信号分别包括来自控制电路(102)的op《x0:y0》，分频计数电路(101)的时钟信号oscp和vddr以及电压检测电路(105)的信号ckenb1；其输出端则为4相位不交叠时钟ck1p，ck2p，ck3p，ck4p，4信号全部连接到正电荷泵电路(107)；
18.电荷泵(107)电路输人端接收时钟信号ck1p，ck2p，ck3p，ck4p，输出高压信号vppi，该信号将为存储单元的部分端口提供高压，同时也为分压电路(104)中部分器件以及电平转换模块(103)供电。
19.当用于产生负电平时，负责负电平的控制环路(200)包括分频计数电路(201)，控制电路(202)，电平转换模块(203)，分压电路(204)，电压检测电路(205)，时钟电路(206)以及电荷泵(207)。其整体架构和控制思路与正电平的控制环路(100)类似，各个模块内部电
路结构多少存在差别。其中：
20.分频计数电路(201)：输入端口包括与分频计数电路(101)共用的时钟信号osc，来自控制电路(202)的总线控制信号op《x6:y6》，op《x7:y7》和复位信号rstn；输出端口有时钟分频信号oscn和总线信号vnnramp《m2:0》，分别连接到时钟电路(206)和控制电路(202)。
21.控制电路(202)：输入信号包括来自电压检测电路(205)的电荷泵升压标志信号vdetn和分频计数电路(201)的总线信号vnnramp《m2:0》；输出端有总线信号op《x5:y5》，op《x6:y6》，op《x7:y7》，op《x8:y8》，op《x9:y9》它们依次接到时钟电路(206)，分频计数电路(201)，电平转换模块(203)和分压电路(204)，此外还输出信号op_rpn到电压检测电路(205)，输出复位信号rstn到分频计数电路(201)。
22.电平转换模块(203)，接入来自电压控制电路(202)的低电平总线信号op《x8:y8》，输出高电平总线信号hvop《x8:y8》到分压电路(204)。
23.分压电路(204)，输入端连接低电平总线信号op《x9:y9》和高电平总线信号hvop《x8:y8》，输出fdbkn到电压检测电路(205)中比较器/放大器的反相输入端。
24.电压检测电路(205)，分别接入分压电路(204)的fdbkn和控制电路(202)的op_rpn；此后输出vssr和ckenb2到时钟电路(206)，输出标志信号vdetn到控制电路(202)。
25.时钟电路(206，输入信号分别包括来自控制电路(202)的op《x5:y5》，分频计数电路(201)的时钟信号oscp和vssr以及电压检测电路(205)的信号ckenb2；其输出端则为4相位不交叠时钟ck1n，ck2n，ck3n，ck4n，4信号全部连接到负电荷泵电路(207)。
26.电荷泵(207)输人端接收时钟信号ck1n，ck2n，ck3n，ck4n，输出负电压信号vnni，该信号将为存储单元的部分端口，分压电路(204)以及电平转换模块(203)供电。
27.根据flash在不同工作模式中所需要的正负pump电压及其负载情况，在符合设计需求的前提下，分配各个环路的建立时间，依次建立各个pump信号。
28.优选地，为负载较重且功耗较大的pump高压信号分配更长的建立时间，适当缩短负载较轻的信号的建立时间。
29.优选地，在一个pump信号建立完成后再进行下一个信号的建立。如果有严苛的速度需求，在各pump信号不可避免地存在建立区间重合的情况下(均衡了电荷泵在输出能力以及面积上的限制的前提下)，优化pump信号的建立顺序，尽量确保其各自功耗消耗大的区间不重合，如果以上依然难以实现，则要严格控制其建立速度。
30.对于每一个待建立的高压信号，如不做限制地任其从初始电位升压至目标电位，关联其电路结构，工作模式和负载情况，必定存在电荷泵电源消耗相对较重的区间。结合该信息和设计需求，本发明通过控制电路对该pump信号配置建立时间并划分成若干区间片段，每段都可独立设定时间长度和电压升幅。
31.可选地将整个pump信号建立阶段平分为若干段，各段区间长度相同，电压升幅相同，如该pump电压负载较重，则在设计允许的前提下尽可能地将建立区间分成更多更小的区间段，对各段进行更精细的控制。(参考图4)
32.可选地可在pump信号建立过程中功耗消耗较小的区间段配置较少段数和较大的升压幅度，在功耗消耗严重的阶段配置更多的段数以及更长的时间和更小的升压幅度，以此来合理利用建立时间并最大限度地控制功耗。(参考图5)
33.控制电路102/202将该配置信息发送给分频计数电路，控制计时电路计时101/201
并接收每一段计时完成后的标志信号，完成对pump高压信号在整个建立区间的时间监控和管理。
34.控制电路102/202会根据获得的当前所在升压阶段(所处段号)信息，依照事先设定的该段所对应的期待电压，编译出相应的op控制信号，然后发送到分压电路104/204以管理分压电路。通过op控制信号的变化，让分压电路104/204按照ry，rx，s0n*或者rn，rm，s1m*顺序依次调节分压点fdbkp，vrefp或者fdbkn，vrefn的电压，然后将分压点信号发送至电压检测电路105/205。
35.具体的分压电路包含两组电阻分压电路，分压电路104包含vppi-gnd以及vref-gnd两组电阻分压电路组成。
36.vppi-gnd电阻串，被分压点fdbkp分为rx和ry上下两部分，通过采用增加与电阻并联的pmos开关管的方法实现rx和ry的阻值可调，进而改变vppi
–
gnd通路的整体阻值以及分压点fdbk的比例关系，结合分压点与电荷泵输出电压的融合电容，一方面保证pump升压初始阶段的反应速度，另一方面也避免了pump电压升高后pump电流被过度消耗。
37.vref-gnd电阻串，使用了多段串联电阻，引出诸多分压点，并通过开关选择信号op《x4:y4》对分压点进行选择。
38.本分压电路的一个特点是按vppi-gnd，vref-gnd电阻串的顺序即fdbkp和vrefp的顺序依次调节，level shift不必在较高的电位翻转，同时vrefp不需要工作在较低的电压范围，可以轻松保证比较器/放大器内部器件的工作点，即降低了对比较器/放大器的需求。
39.分压电路204包含vref-gnd以及vref-vnni两组电阻分压电路，其控制思路与分压电路(104)相同，依次按照vref
–
vnni电阻串中rn，rm，vref
–
gnd的顺序调节以实现对vnni电压的控制。
40.电压检测电路105/205会比较同相输入端和反相输入端的电压，一旦fdbkp高于vrefp或者gvss高于fdbkn，可根据不同模式的需求控制ckenb*使能信号终止电荷泵时钟(106/206内)，亦者压制vddr电位/抬升vssr电位，动态减小电荷泵时钟振幅及驱动能力，使电荷泵输出电压稳定在一定范围以内。因为fdbkp与vppi以及vrefn-fdbkn与vnni存在一定比例关系，该稳定电压应为该区间段的期待电压。该区间段此后的剩余时间里，由于电荷泵电压仅需维持，电荷消耗极度减少，整体降低了该区间段的平均功耗。
41.通过以上的控制，每个电荷泵控制环路都可以输出一个时间和电压皆可独立控制的阶梯波，理论上只要设计允许，尽量拉长pump信号建立时间，并将其划分成足够多区间段，保证每段升压幅度足够小，使该段电荷泵建立功耗无限接近稳定时平均功耗。然而，更快速更可靠一直是flash的发展方向，除建立时间不可能无限加长以外，过多的段数不仅会增加控制复杂程度也会导致面积增加。因此，在不同工作模式下合理配置各个pump的建立时间以及段数是一个需要精细考量的问题。
42.可选地pump信号采用步长，升压幅度相同，即线性阶梯建立的控制方式。
43.可选地pump信号的建立采用初期步长较短，升压幅度较大，后期采用步长较长升压幅度较小的非线性阶梯波形。这种方式与线性阶梯建立方式都可以做到不同工艺角下的建立波形基本一致，也意味着不同工艺角下bitcell编程/擦除的阈值的离散性也更小。
44.优选地，各个pump电压错开建立，即一个pump建立完成后，再建立其他pump信号。建立pump信号时，对已建立完成的其他pump通过ckenb*控制其时钟启停。直到最后一个
pump信号建立完成时，再将此前建立完成的pump信号时钟控制模式切换回动态调节vddr/vssr模式，即控制电荷泵时钟振幅方式以减小稳定阶段pump信号纹波。(个别对bitcell编程/擦除效果影响小的pump高压信号，依然可以选择ckenb*控制时钟启停模式，以最大限度降低功耗)
45.优选地对特定工作模式下负载较轻的高压信号，在pump建立完成后，甚至在建立过程(根据实际情况)都使用较慢的电荷泵时钟频率。
46.优选地在pump信号建立初始阶段，因为电荷泵能力相对较强且可能涉及到功耗阶跃，选用电荷泵时钟频率由低到高几段切换的方式。
47.可选地在pump信号建立初始阶段，因为电荷泵能力相对较强，限制电荷泵时钟振幅以限制电荷泵的功耗。
48.本发明中分频计数时钟(101)具有两部分功能，一为产生时钟osc的多个分频信号并通过op《x1:y1》选择其一作为时钟信号oscp；二为计数器功能，由op《x2:y2》控制生成升压段数及各段阶梯时间长度可以调整的译码信号vppramp《m1:0》。结构上分频计数时钟没有创新，无论输出信号还是模式切换只是适配了环路控制以及电荷泵升压方式的需求，电平转换模块(103)，时钟电路(106)，电荷泵(107)皆采用比较成熟的设计。时钟电路(106)配合电荷泵(107)，其能力匹配flash的容量和工作需求，以上部分并无特别之处；
49.而分压电路(104)为均衡消耗面积，分压点反应速度以及pump电力消耗，采用了分压点和基准电压参考点双重顺序调节的方式；
50.电压检测电路则为增加控制灵活性，同时保留了比较器和差分放大器两种模式；
51.控制电路(102)协调整个环路的正常运转，依据不同工作模式决定电荷泵升压的段数以及时长，还通过接收电压检测电路(105)和分频计数时钟(101)的标志信号控制分频计数时钟(101)的pump基础时钟频率以及电荷泵供电电压，电荷泵工作方式和纹波等指标。
52.控制电路(102)根据电路工作模式产生用于选择段数和调节阶梯电平长度的控制信号op《x2:y2》，控制所述分频计数器(101)计数；通过vppramp《m1:0》信号获取电荷泵升压所处阶段信息，自动调整op《x1:y1》，切换输出分频信号，同时生成op《x3:y3》和op《x4:y4》来调整分压比例及分压点电位，进而控制各区间段电压；再结合升压标志信号vdetp状态，可以自动配置op《x1:y1》和op_rpp信号，以调整电荷泵时钟振幅和vppi纹波；
53.控制电路(202)，其控制思路与控制电路(102)相同，但是与102分开独立控制。
54.电平转换模块(103)由多个可以将vdd电压域信号转换至vppi高电压域信号的level shift构成，输出用于调整vppi-gnd电阻串的分压比例的vppi电压域控制信号；由于本发明采用fdbkp和vrefp信号依次调节的方式，一定程度上降低了对level shift的翻转范围和时序上的要求，简单的level shift结构也有利于节省面积；
55.电平转换模块(203)电路与电平转换模块(103)相比，区别在于使用了可以将信号由vdd电压域转换至vnni负电压域的level shift电路。
56.分压电路(104)由vppi-gnd以及vref-gnd两组电阻分压电路组成；分压电路(204)包含vref-gnd以及vref-vnni两组电阻分压电路，控制思路与分压电路(104)相同，依次按照vref
–
vnni电阻串中rn，rm，vref
–
gnd的顺序调节fdbkn点电位以实现对vnni电压的控制。
57.电压检测电路(105)具有两种不同模式，其一为比较器模式，其二为放大器模式，由op_rpp控制模式切换，op_rpp为低时为比较器模式，为高时以放大器模式工作。比较器模
式下，提供一个ckenb1使能信号，通过其翻转变化控制电荷泵时钟启停，旨在最大限度降低功耗；放大器模式则通过对vdd传输通路的控制提供一个vddr电平信号，凭借其电平变化，控制电荷泵时钟振幅，旨在减小电荷泵工作时输出电压vppi的纹波；
58.电压检测电路(205)与电压检测电路(105)相同，也有比较器和放大器两个模式，但因输入差分信号电位值不同，与105各自单独控制。
59.时钟电路(106)接收一定频率范围内的oscp时钟信号并对其进行处理，可选地，为电荷泵提供四相位不交叠时钟。此电路内部包括clockgen1的时钟时序处理模块，buffer，以及boost0/1时钟增幅模块。可选地boost0由vddr信号供电，并产生ck1p/ck2p连接电荷泵传输通路主电容，为vppi提供电荷；boost1由vdd电源供电并产生ck3p/ck4p连接传输管栅极电容，负责各段pump间连通。op《x0:y0》用于调节各相时钟的驱动能力以及boost模块输出的时钟振幅(零负载下输出振幅为vdd/vddr亦或2vdd/2vddr)；
60.时钟电路(206)控制方式与时钟电路(106)相同，提供四相位时钟给负电荷泵，但鉴于电荷泵结构，负载以及能力上的要求，其内部时序调整以及驱动能力与(106)不同。
61.电荷泵(107)采用改进型dickson结构，根据实际需求也可以选择cmos交叉耦合结构，该模块用于产生正电高压；
62.电荷泵(207)采用改进型dickson结构，根据实际需求也可以选择cmos交叉耦合他结构，该模块用于产生负电高压。
附图说明
63.图1：p-flash bitcell编程擦写电压施加电压示意图；
64.图2：本发明正电压pump控制环路图；
65.图3：本发明负电压pump控制环路图；
66.图4：一种形式pump阶梯升压例图；
67.图5：一种形式pump阶梯升压例图；
68.图6：p-flash一种电荷泵建立功耗控制实例；
69.图7：图6控制方式的波形图；
具体实施方式
70.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
71.图6为p-flash在擦除操作时电荷泵建立直至稳定区间一种控制方案。结合图一p-flash bitcell在擦除时需要产生正电高压和负电高压。结合具体电路，电荷泵供电电源为vdd15，典型值为1.5v，我们需要通过电荷泵产生10v左右的vppi信号和约为-10v的vnni信号。
72.由于vppi负载较重，建立功耗压力大，我们为它配置了较长的建立时间和更多的段数，以最大限度地改善建立过程中的功耗表现。相对地，vnni负载较轻，功耗压力小，我们为vnni配置了较短的时间和更少的段数控制。此外，由于p-flash擦除时间较长，对pump建立时间的限制相对宽松。为实现更好效果，我们采用了先vppi再vnni这种正负pump分开建立且pump信号线性阶梯建立的方案。
73.vppi建立过程按控制方式可以划分为5个阶段，生成共计39段的阶梯波。其中前3
阶段升压幅度较大，为控制斜率将步长适当加长，采用调节ry的方式，目标电位3.5v；第4阶段共分为16小段，为减少高压时切换level shift的场景，采用调节rx的方式控制各段电压(参考图2中104分压电路)，该阶段电压升幅降低到0.25v，步长调整至4.5u，目标电位7.5v；第5阶段共分为16小段，采用调节参考电压0.9-1.2v递增的方式实现阶梯升压，由于该阶段电荷泵输出电流能力减弱且功耗相对较大，我们减小了各段的电压升幅，以确保功耗平稳，其最终目标电位10v。
74.vnni在p-flash擦除动作中，功耗相对较小，相应地我们按控制方式配置了3个阶段，生成共计16小段的阶梯波。第1阶段共包括5个阶梯，步长5.2u，电压增幅0.75u，采用调节rm方式控制电压(参考图3中204分压电路)，目标点位-3.75v；第2阶段也包括5个阶梯，电压增幅同样为0.75u，但是采用调节rn的方式控制输出电压，目标点位-7.5v；第3段共分为6小段，随着电荷泵输出电压逐渐加深，其电流输出能力下降，为平稳功耗，这一阶段的电压降幅调整至每段0.5v，步长调短至3.5u，通过将vrefn从0.9v调整至1.2v的方式，控制vnni保证相同降幅至-10v电位。
75.具体地，由于vppi初始电压为电源vdd15，该电源允许存在一定偏差，第一阶段通过一个阶梯升压将不同初始值的vppi信号统一到2v的电位上。由于前两阶段电荷泵控制输出电压较低，能力盈余，为控制功耗，特意对电荷泵时钟降频(4.5mhz-》9mhz)，此外时钟幅度也减小为vdd15 x 1。到了第3阶段，调整电荷泵时钟频率为正常频率(18mhz)，但是振幅仍然保持在vdd15 x 1。直到第5阶段vdd15 x 1的振幅已经无法满足需求时，电荷泵时钟被调整为vdd15 x 2，但由于调整初始时瞬时功耗激增，设定在第5阶段的第1小段只做电位保持进行pump升压，以适应电荷泵能力的突然变化并平滑功耗。
76.同样地，对于vnni，初始第一阶段能力足够强，电荷泵时钟频率和振幅被设定为降频(4.5mhz)和降幅(vdd15 x 1)。至第2阶段电荷泵时钟频率被调整为9mhz，直至第3阶段，为提高电荷泵能力满足需求，电荷泵时钟振幅被调整到vdd15 x 2。与vppi第5阶段类似，也采用第1小段保证电压不变的方式改善可能出现的功耗突然增大。
77.整体上vppi和vnni都采用了阶梯建立的方式。控制电路102/202为每一段都配置了不同的目标电压和特定地功耗调节方式。环路100/200通过分压电路104/204关联电荷泵的当前电压，并通过和参考电位比较确认电荷泵电压是否达到目标电压。建立阶段的各段区间中，vppi、vnni达到目标电位后采取了调整vddr和vssr电位的方式，控制时钟振幅以减少纹波，同时也减小功耗(原则上通过控制时钟启停的方式更有利于节省功耗，但是各段切换时的瞬时功耗可能会被增大)。vppi建立完成后会切换成vppi电荷泵时钟启停的模式，以减小vnni建立阶段来自vppi电荷泵功耗上的叠加，但是在vnni建立完成后要恢复会vddr控制纹波的方式。
78.由图7可知通过本方案控制，整个消除操作，尤其是pump信号的建立过程中，在不同工艺角，不同温度和电源电压下，vdd15(擦写阶段主要功耗)的1us区间平均功耗被控制在630ua以内，且非常平稳，没有较大变化。作为对比，本方案实施以前该指标为1.5ma左右，改善明显。
79.对于编程模式，因时序限制更为严苛，控制方法较擦除动作更为复杂，时间配置也更为精打细算，但是与擦除基本控制思路相通，改善效果也同样明显，1us平均功耗同样可以控制在与消除动作相当的水平。具体控制方案和波形此处不再赘述。
80.此外，本实例为较直观地讲解本发明方法特意选用了线性阶梯升压的方式，实际上，根据pump建立时的功耗特点和负载情况，采用非线性阶梯升压方式更能在建立时间上获得收益，功耗同样可以控制在不高于线性阶梯控制方式。
81.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的设计原则、技术方案之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明保护范围内。