CN1399811A - 用来降低集成电路所用电容器上的应力的方法和装置 - Google Patents

Abstract

在一种EEPROM的充电泵中的一种方法、装置和系统，用来控制耦合在集成电路第一节点与第二节点之间的电容器上的电压电平，使这些电容器上的电压电平不超过这些电容器的击穿电压限度。当集成电路从第二功率状态转变到第一功率状态时，集成电路第一和第二节点之间的电压电平能够分别从第二电压电平变到第一电压电平。第一电容器与第二电容器被串联连接在集成电路的第一和第二节点之间，形成第一和第二电容器之间的中间节点。当集成电路处于第一功率状态时，中间节点的电压电平被设定为第三电压电平，使第一和中间节点之间的电压电平不超过第一电容器的击穿电压，且中间和第二节点之间的电压电平不超过第二电容器的击穿电压。

Description

用来降低集成电路所用电容器上的应力的方法和装置

发明领域

本发明涉及到集成电路和器件中的电压控制。更具体地说是涉及到用来控制集成电路所用各种电容器上的电压电平，使这些电容器上的电压电平不超过这些电容器的应力限度即击穿电压限度的装置、方法和系统。

发明背景

随着集成电路和系统的不断发展和变得更为复杂，在电路设计和实现过程中，集成电路和系统的功率和热的实际有效安排变得越来越重要。为了降低集成电路和系统中的功耗，这些电路和系统被设计成工作于较低的电压电平。例如，集成电路和系统被设计成工作于电源提供的例如5V、3.3V或更低的电压电平。然而，这些集成电路或系统中的某些元件或电路要求较高的电压来工作或起作用。例如，计算机或系统中使用的快速电可擦可编程只读存储器件(EEPROM)，为了执行诸如读出、擦除或编程操作之类的各种操作，通常要求比电源提供的更高的电压电平。为了产生闪速存储器所要求的比电源提供的更高的电压电平，通常采用充电泵电路来从较低的电压电平源产生较高的电压电平。充电泵电路通常包含多个泵级，用来通过各个级中的增量电压增加，而将较低的电压输入提高到较高的电压输出。充电泵电路中的各个多个泵级通常使用一个或多个电容器来将电荷存储和转移到下一泵级，以便将来自一个级的电压电平提高到下一级。然而，在某些级，特别是充电泵电路的最后级中，所要求的电压电平可能超过用来存储和转移电荷的单个电容器的应力即击穿电压限度。若单个电容器的应力即击穿电压被超过，则这些泵级中产生的最大电压电平会受到限制。为了克服这一问题，可以串联连接二个或更多个电容器，以便降低各个电容器上的电压。将二个或更多个电容器串联连接，也称为叠层电容器构造。然而，采用串联连接的二个或更多个电容器，增大了充电泵电路的管芯面积。因此，在充电泵电路中使用任何比电路恰当工作所需的数目更多的电容器是不可取的。而且，在许多充电泵电路中，充电泵电路的输出节点能够从一种闪速存储器工作所需的电压电平被驱动到另一种闪速存储器工作所需的电压电平，得到的总电压范围就大于串联连接的各个电容器的击穿电压。例如，当负充电泵变到+11V而停止并被初始化到适当的内部信号时，负充电泵电路的输出节点能够一直降到-15V。在此情况下，总电压范围为26V，大于串联连接的二个电容器所能够承受的最大总电压。

因此，存在着对于实际有效地权衡性能要求、功率使用要求和充电泵电路的管芯面积，使得能够获得所需的输出电压而不超过充电泵电路中所用的电容器的应力限度且无需不必要地增大管芯面积。

发明概述

一种方法、装置和系统，用来控制耦合在集成电路第一节点与第二节点之间的电容器上的电压电平，使这些电容器上的电压电平不超过这些电容器的击穿电压限度。当集成电路从第二功率状态转变到第一功率状态时，集成电路第一和第二节点之间的电压电平分别能够从第二电压电平变到第一电压电平。第一电容器与第二电容器被串联连接在集成电路的第一和第二节点之间，形成第一和第二电容器之间的中间节点。当集成电路处于第一功率状态时，中间节点的电压电平被设定为第三电压电平，使第一和中间节点之间的电压电平不超过第一电容器的击穿电压，且中间和第二节点之间的电压电平不超过第二电容器的击穿电压。

附图的简要说明

参照附图，将更充分地理解本发明的特点和优点，其中：

图1示出了单个电容器构造；

图2示出了具有串联连接的二个电容器的叠层电容器构造；

图3示出了具有防止电容器上瞬时应力的电压控制机构的叠层电容器构造；

图4示出了采用晶体管作为电压控制机构的叠层电容器构造；

图5是实现本发明论述的系统实施方案的方框图；

图6示出了具有叠层电容器构造的充电泵级一个实施方案的电路图；

图7示出了结合图6充电泵级所用的各个时钟信号的时间图的例子；

图8示出了具有叠层电容器构造的充电泵级一个实施方案的电路图；

图9示出了用来降低集成电路所用电容器上的应力的方法的一个

实施方案的流程图；和

图10是用来权衡包含输出电压要求的系统各个性能要求与包括应力限度和集成电路管芯面积的其它系统限制的方法的一个实施方案的流程图。

发明详述

为了提供对本发明的透彻理解，在下列详细描述中，给出了大量具体的细节。但对本技术领域熟练人员来说，显然可以不管这些具体细节而理解并实施本发明。

在下面的讨论中，本发明的论述被用来实现一种方法和装置，用以对集成电路所用的电容器上的电压电平进行动态控制，使得不超过各个电容器的击穿电压。此外，本发明的论述还被用来实现一种方法和装置，以便对输出电压电平的性能要求、电容器上的应力即电压击穿限度、集成电路的管芯面积进行实际有效的平衡。在一个实施方案中，确定了集成电路中第一节点与第二节点之间的最大电压。在一个实施方案中，当集成电路从第一功率状态转变到第二功率状态时，第一节点与第二节点之间的电压能够分别从第一电平变化到第二电平。若最大电压大于第一类型的单个电容器的击穿电压电平，则在集成电路的第一节点与第二节点之间至少串联连接二个第一类型的电容器，以便降低单个电容器上的电压电平。在一个实施方案中，当集成电路处于第二功率状态时，第一与第二电容器之间的中间节点被连接到参考电压源，而当集成电路处于第一功率状态时，则从参考电压源断开。

本发明的论述可应用于任何一种用来产生其电压电平高于电源的电压电平的充电泵电路。但本发明不局限于充电泵电路，而是能够应用于其它的集成电路和系统，其中单个电容器上所需的电压能够大于各个电容器的击穿电压限度。

图1示出了单个电容器构造，其中单个电容器C被连接在集成电路例如充电泵电路中的二个节点之间，用来存储和转移电荷。在此例子中，假设节点1处的电压V(亦即电容器C上的电压)能够上升到超过电容器C的应力限度即击穿电压的电平。为了避免这一问题，可以用图2所示的叠层电容器构造来降低串联连接的各个单个电容器上的应力。如图2所示，为了降低各个单个电容器上的应力，可以串联连接二个电容器C1和C2。在此构造中，C1(节点1与中间节点M之间)上的电压被称为V1，而C2(中间节点M与地电平之间)上的电压被称为V2。二个电容器C1和C2上的电压V是各个单个电容器上的电压的代数和：

V＝V1+V2

图1中电容器C的等效电容的倒数，等于图2中的电容器C1和C2的单个电容的倒数之和：

1/C＝1/C1+1/C2

在一个实施方案中，电压V最好平分在二个电容器C1和C2上，以便使各个单个电容器上的应力相等。于是：

V1＝V2＝V/2

C1＝C2＝2C

例如，假设Vmax＝-15V，则V1＝V2＝-7.5V。

图3示出了叠层电容器构造，其中，中间节点处的电压电平能够被动态控制，以便避免电容器上的瞬时应力。即使在叠层电容器构造中，此瞬时应力也能够超过各个电容器的应力限度。由于电压电平V能够从集成电路处于一种功率状态时的电平改变到集成电路处于另一种功率状态时的另一电平，故能够出现瞬时应力。例如，假设图3中的节点1是被设计为了闪速存储器擦除或编程操作而产生-15V负电压电平的负充电泵中最后泵级的输出节点。还假设C1＝C2＝2C和V1＝V2＝V/2。还假设节点1被连接到为了产生某些闪速存储器操作例如编程操作的足够正的电压电平而设计的另一个充电泵电路的输出节点。在此情况下，当充电泵电路变到+11V而停止并被初始化到适当的内部信号时，节点1处的电压电平能够从负电压电平-15V变化。假设图3中的各个电容器的应力限度即击穿电压电平为-12.5V。在此例子中，当节点1从-15V变化到+11V时，总电压范围为26V，其中间节点超过应力限度-12.5V。因此，当存在上述瞬时应力时，图2所示的叠层构造不能完全解决应力限制问题。

图3示出了一种叠层电容器构造，它具有电压控制机构来克服上述的瞬时应力问题。如图3所示，电容器C1和电容器C2之间的中间节点M被耦合到连接于电压源Vinit的控制器件311。在一个实施方案中，控制器件311用作开关，根据输入控制信号321而开通或关断。在一个实施方案中，当电路处于第一功率状态(例如低功率状态)时，输入控制信号321被设定为第一数值，而当电路处于第二功率状态(例如高功率状态)时，被设定为第二数值。在一个实施方案中，当控制信号321被设定为第一数值(例如正电压)时，控制器件311被开通，从而将中间节点M连接到电压源Vinit。当控制信号321被设定为第二数值(例如地)时，控制器件311被关断，从而将中间节点M从电压源Vinit断开即隔离。因此，借助于控制中间节点M处的电压电平，即使在存在瞬时应力时，也能够将单个电容器上的电压电平降低到单个电容器的击穿电压电平即应力限度以下。在一个实施方案中，当电路从一种状态转变到另一种状态引起上述瞬时应力时，电压Vinit被设定为相同于图3所示叠层电容器构造的上节点1处的电压电平。在此情况下，由于当电路被转变到第一功率状态(例如关断)时，中间节点被设定为相同于上节点1的电压电平Vinit，故电容器C1上的电压电平V1成为V(节点1)-V(节点1)＝0。电容器C2上的电压电平V2成为V(节点1)-地＝V(节点1)。根据上述例子，V(节点1)在转变顶峰处成为+11V，并在转变后电路被稳定之后降低到另一个电压电平例如+5V。于是，C1上的电压电平和C2上的电压电平将低于叠层构造中各个单个电容器的击穿电压电平(例如12.5V)。虽然为了说明的目的而用具体的例子和数值描述了本发明，但本技术领域的熟练人员可以理解的是，本发明的论述完全可应用于叠层电容器的其它构造、变更和实施方案。例如，电压V可以按任何比率分摊在各个电容器上，只要各个单个电容器上的电压电平不超过各个电容器的击穿电压电平即可。此外，电压Vinit能够被设定为节点1处电压之外的某些电压电平，只要各个单个电容器上的瞬时应力不超过各个电容器的应力限度即击穿电压电平即可。而且，在变通实施方案中，Vinit还能够用作控制器件311的电压源和控制信号二者，从而无需单独的控制信号321。例如，当Vinit设定为一个电平(例如地)时，将关断控制器件311，从而使中间节点M从Vinit断开即隔离。当Vinit设定为另一个电平(例如+11V或5V等)时，将使控制器件311开通，从而将中间节点连接到Vinit。

图4示出了一种叠层电容器构造的一个实施方案，它采用P型晶体管器件411作为控制器件311，以便当电路从一种状态转变到另一种状态，如上所述引起电容器上的瞬时应力时，控制中间节点处的电压电平。在一个实施方案中，晶体管411的栅被连接到地电平。叠层电容器的中间节点M被连接到晶体管411的漏端。NWELL被耦合到Vinit，当电路处于一种状态(例如高功率状态)时，Vinit被设定为一种电平(例如地)，而当电路处于另一种状态(例如低功率状态)时，Vinit被设定为另一种电平(例如节点1处的电压电平)。在此实施方案中，晶体管411用作开关晶体管，以便根据Vinit的电压电平而将中间节点M连接到Vinit或者将中间节点M从Vinit断开。于是，当电路处于第二功率状态(例如工作)时，Vinit被设定为地，以便关断晶体管411，从而使中间节点M从Vinit隔离即断开。当电路处于第一状态(例如关断)时，Vinit被设定为对应于上节点1的电压电平的电压电平，以便开通晶体管411，从而将中间节点M处的电压电平设定为与Vinit和上节点1相同的电平。

图5示出了根据本发明论述的系统的一个实施方案的方框图。此系统500包括电源501、相位发生器511、包括多个泵级531的充电泵电路521、闪速存储器件541、以及电压控制器件551。电源501被耦合到充电泵电路521，以便为充电泵电路521提供输入电压和电流。在此实施方案中，充电泵电路521包括多个串联连接的泵级。各个泵级的输出节点被连接到下一个泵级的输入节点，以便将来自电源的低的输入电压电平提高到闪速存储器件541的某些操作所需的更高的电压电平。在一个实施方案中，第一泵级531(1)的输入节点被连接，以便接收来自电源501的输入电压和电流。在一个实施方案中，最后泵级531(N)的输出被连接到闪速存储器件541，以便为闪速存储器件541提供所需的电压和电流电平。如上所述，闪速存储器件541要求比电源501更高的电压电平来执行诸如擦除或编程操作之类的某些操作。相位发生器511被耦合到充电泵电路521，以便提供各个泵级正常工作所需的时钟信号。在本说明书中，充电泵电路521被假设为一种负充电泵电路，当然此处所讨论的各种情况同样适用于正充电泵电路。同样，本发明的论述也适用于其它的集成电路，其中电路二个节点之间的电压可以超过单个电容器的应力限度即击穿电压电平。来自电源501的输入电压顺序通过充电泵电路521的各个泵级而被提高，以便在充电泵电路521的输出节点处产生所需的更高电压电平。在一个实施方案中，为了解释和说明的目的，假设有二种不同类型的电容器能够用来在充电泵电路521中存储和转移电荷，虽然本技术领域熟练人员应该理解的是，此处讨论的情况同样适用于仅仅采用一种电容器或采用多于二种不同类型的电容器的其它电路安排和构造。在一个实施方案中，ONO电容器(夹有氧化物-氮化物-氧化物的多晶2/多晶1)或MOS(金属-氧化物-半导体)电容器，能够被用于泵级。为了说明和解释的目的，假设充电泵电路521的输出电压约为-15V。如上面参照图3和4所述，当充电泵电路521变到+11V而停止并被初始化到适当的电压电平例如5V时，充电泵电路521的输出节点能够从-15V的负电压变化。于是，当充电泵电路从一种状态(例如工作状态即满功率状态)转变到另一种状态(例如关闭状态即断电状态)时，具有26V的总电压范围即瞬时应力。在一个实施方案中，用于充电泵电路521中的ONO电容器被假设具有大约-12.5V的应力限度即击穿电压电平。因而，各个单个ONO电容器上的电压应该不超过-12.5V。在本讨论中，MOS电容器能够承受比ONO电容器更高的应力(例如15.5V)，但可能仍然不能承受负充电泵电路521所要求的-26V的应力。然而，MOS电容器的管芯面积比ONO电容器的大。在一个实施方案中，控制逻辑551(也称为电压初始化和控制)被耦合到充电泵电路521的输出节点以及最后二个泵级531(N-1)和531(N)。在此实施方案中，假设最后二级的输出电压超过单个电容器的应力限度即击穿电压电平，如上所述叠层电容器构造因而被用于最后二个泵级中，以便降低最后二个泵级中所用的各个单个电容器上的应力。在一个实施方案中，用于充电泵电路521最后二个泵级中的叠层电容器构造包括二个串联连接的ONO电容器。单个电容器构造被用于其它的泵级，其中的电压电平不超过单个电容器的应力限度。ONO或MOS电容器能够被用于单个电容器构造中。在一个实施方案中，如图5所示，控制逻辑551用作开关，以便根据控制信号555，当充电泵电路521处于一种功率状态(例如低功率状态)时，将叠层电容器的中间节点连接到电压电平Vinit，而当充电泵电路处于另一种功率状态(例如高功率)时，将叠层电容器的中间节点从电压电平Vinit断开。在一个实施方案中，当充电泵电路处于第一状态(例如断电、待机等)时，控制信号555被设定为第一电平(例如正电压电平)，而当充电泵电路521处于第二状态(例如激活)时，被设定为第二电平(例如地电平)。在此实施方案中，当控制信号555被设定为第一电平(例如正电压电平)时，控制器件551被开通，从而将叠层电容器的中间节点连接到电压源Vinit。当控制信号555被设定为第二电平(例如地电平)时，控制器件551被关断，从而将中间节点从电压Vinit断开即隔离。作为变通，电压Vinit也能够用作控制信号555来开通控制器件551或关断控制器件551，从而无需单独的控制信号555。

图6示出了根据本发明论述实现叠层电容器构造的负充电泵电路中的充电泵级600的一个实施方案的电路图。在一个实施方案中，此充电泵电路600包括输入节点601和输出节点691。输入节点601被耦合到前级泵级(未示出)的输出节点。在此例子中，假设充电泵级600是负充电泵电路中的最后泵级，因此，输出节点691被耦合到闪速存储器件，虽然此处讨论的各个情况应该同样可应用于充电泵级600不是充电泵电路末级、输出节点691因而被耦合到下一泵级的输入节点的情况。充电泵级600包括开关晶体管611。在一个实施方案中，此开关晶体管是P型场效应晶体管，虽然也可以采用P’型器件。开关晶体管611的源和漏端，被分别耦合到输入节点601和输出节点691。充电泵级600还包括下拉晶体管621。在一个实施方案中，此下拉晶体管是P’型场效应晶体管，虽然也可以采用P型器件。P’型器件的阈值电压电平比P型器件的低。下拉晶体管621的漏端被连接到开关晶体管611的栅端。在此实施方案中，下拉晶体管621被连接成二极管，以下拉晶体管621的源端和栅端连接到开关晶体管611的源端。充电泵级600还包括上拉晶体管625。在一个实施方案中，此上拉晶体管625是P型场效应晶体管。上拉晶体管625的源端被连接到开关晶体管611的源端。在此实施方案中，上拉晶体管625被连接成二极管，以上拉晶体管625的漏端和栅端连接到开关晶体管611的栅端。

如图6所示，充电泵级600包括一种叠层电容器构造，它采用二个串联连接的电容器C2A和C2B来降低各个单个电容器上的应力。在本实施方案中，节点691处的电压电平能够达到某个负电压电平(例如-15V)，这可能超过单个ONO或MOS电容器的应力限度即击穿电压电平。在此实施方案中，电容器C2A和C2B是ONO电容器，能够承受的应力小于MOS电容器能承受的，但其管芯面积较小。由于ONO电容器的管芯面积较小但当如所示被串联连接时仍然能够承受应力，故在这种叠层电容器构造中被采用。存储电容器C2A和C2B被串联连接在开关晶体管611的漏端与时钟信号CLK2(622)之间。存储电容器C2A的第一端被连接到开关晶体管611的漏端(还被耦合到充电泵级600的输出节点)。存储电容器C2A的第二端被连接到存储电容器C2B的第一端。存储电容器C2B的第二端被连接到时钟信号CLK2(662)。

图6所示的实施方案还包括一种叠层电容器构造，它具有串联连接在开关晶体管611的栅与时钟信号CLK1(652)之间的二个引导节点电容器C1A和C1B。在此实施方案中，C1A和C1B是ONO电容器。由于ONO电容器的管芯面积较小但当如所示被串联连接时仍然能够承受应力，故在这种叠层电容器构造中被采用。电容器C1A的第一端被连接到开关晶体管611的栅端，而电容器C1A的第二端被连接到电容器C1B的第一端。电容器C1B的第二端被连接到时钟信号CLK2(652)。

如图6所示，充电泵级600包括用作开关来控制中间节点INIT1和INIT2处的电压电平的控制器件641，以便解决充电泵电路从一种功率状态(例如激活、工作等)转变到另一种状态(例如关闭、断电、待机等)时的上述瞬时应力问题。在此实施方案中，当充电泵电路变到某个正电压电平(例如+11V)而被关断并被初始化到适当的电压电平例如+5V时，输出节点691处的电压电平能够从某个负电压电平(例如-15V)变化。在一个实施方案中，控制器件641包括二个P型场效应控制晶体管643和645，虽然也能够采用P’器件。控制晶体管643的漏端被连接到中间节点INIT1。控制晶体管643的栅端被连接到地。控制晶体管643的源端被连接到本讨论中称为DINITPCW的控制电压电平。控制晶体管645的漏端被连接到中间节点INIT2。控制晶体管645的栅端被连接到地。控制晶体管645的源端被连接到控制电压电平DINITPCW。下面更详细地来描述控制晶体管643和645的工作。

图7示出了结合充电泵级600使用的时钟信号652和662的时间图的例子。在一个实施方案中，时钟信号652和662在高相位时为Vcc，而低相位时为地。当时钟信号652变低时，开关晶体管611被开通，存储在输入节点601处的电荷被转移到存储电容器C2A和C2B。连接成二极管的上拉晶体管625用来防止当输出节点691处的电压电平更负于输入节点601处的电压电平时从输出节点691到输入节点601的回流。如上所述，在此实施方案中，当充电泵电路激活时，输出节点处的输出电压电平约为-15V。在此实施方案中，C2A的电容与C2B的电容大致相同。结果，输出节点691处的电压电平(例如-15V)被大致均分在电容器C2A和C2B上。因此，当电路工作时，C2A上的电压约为-7.5V。同样，当电路工作时，C2B上的电压也约为-7.5V。换言之，当电路工作时，中间节点INIT1和INIT2处的电压电平约为-7.5V。从这一例子可见，串联连接的各个电容器上的电压被降低到低于电路中所用单个电容器的应力限度即击穿电压电平(例如，对于ONO电容器为-12.5V)。

在一个实施方案中，当充电泵电路工作时，NWELL和DINITPCW二者都被设定为地电平，以关断控制晶体管643和645，从而使中间节点INIT1和INIT2从电压DINITPCW断开即隔离。在一个实施方案中，当充电泵电路被关断时，NWELL和DINITPCW被设定为正电压电平，使控制晶体管643和645开通，于是将中间节点INIT1和INIT2连接到电压DINITPCW。在一个实施方案中，当充电泵电路被关断时，DINITPCW被设定为与输出节点691相同的电压电平。借助于通过控制晶体管643和645来控制中间节点INIT1和INIT2处的电压电平，解决了充电泵电路从一种状态(例如工作)转变到另一种状态(例如关断)时可能出现的瞬时应力问题。

图8示出了采用具有MOS电容器而不是ONO电容器的叠层电容器构造的充电泵级800的一个实施方案的电路图。充电泵级800的功能和操作与上述充电泵级600所述的基本上相同。MOS存储电容器C2A和C2B被串联连接，以便降低各个单个电容器上的应力水平。同样，引导节点电容器C1A和C1B被串联连接，以便降低ClA和C1B上的应力水平。控制器件841被用作开关，以便当充电泵电路处于一种功率状态(例如关断)时，将中间节点INIT1和INIT2连接到电压DINITPCW，而当充电泵电路处于另一种功率状态(例如工作)时，将中间节点INIT1和INIT2从电压DINITPCW断开即隔离。在一个实施方案中，控制器件841包括二个P型场效应控制晶体管843和845，虽然也能够采用P’器件。控制晶体管843的漏端被连接到中间节点INIT1。控制晶体管843的栅端被连接到地。控制晶体管843的源端被连接到本讨论中称为DINITPCW的控制电压电平。控制晶体管845的漏端被连接到中间节点INIT2。控制晶体管845的栅端被连接到地。控制晶体管845的源端被连接到控制电压电平DINITPCW。控制晶体管843和845的操作与上述控制晶体管643和645的基本上相同。

图9示出了用来降低集成电路所用的电容器上的应力的方法900的一个实施方案的流程图。在本讨论中，假设集成电路要求在集成电路中的二个节点(例如第一节点和第二节点)之间连接至少一个电容性器件。为了解释和说明的目的，还假设有二种不同类型的电容器可用作第一节点和第二节点之间的电容性器件。二种类型中的一种被称为类型1电容器(第一类型)，而另一种被称为类型2电容器(第二类型)。在此实施方案中，假设类型2电容器能够承受的应力大于类型1电容器能承受的，但其管芯面积比类型1电容器的大。在一个实施方案中，类型1电容器是ONO电容器，而类型2电容器是MOS电容器。如上所述，MOS电容器能够比ONO电容器承受更大的应力。但MOS电容器占据更大的管芯面积。此方法900从方框901开始，并进行到方框905。在方框905处，确定第一节点和第二节点之间的最大电压电平。方法900然后进行到方框909。在判定方框909处，若方框905处确定的最大电压不超过单个类型1电容器(例如ONO)的应力限度，则方法900进行到方框913。否则，方法进行到方框917。在方框913处，由于最大电压不超过单个类型1电容器的应力限度，故单个类型1电容器被用作第一与第二节点之间的电容性器件。在判定方框917处，若最大电压电平不超过单个类型2电容器的应力限度即击穿电压电平，则方法900进行到方框921，以便用单个类型2电容器作为第一与第二节点之间的电容性器件。否则，方法900进行到方框925。在方框925处，由于跨越第一和第二节点的最大电压电平超过单个类型1电容器的应力限度和单个类型2电容器的应力限度二者，故需要具有二个或更多个电容器的叠层构造来降低各个单个电容器上的应力水平。在此例子中，假设二个类型1电容器或二个类型2电容器足以承受第一和第二节点之间的最大电压。若串联连接的二个电容器不足以承受此应力，则叠层电容器构造可以根据需要而包括更多的电容器。由于类型1电容器的管芯面积比类型2电容器的小，故若能够承受此应力，最好在叠层构造中采用类型1电容器。在方框925处，二个或更多个类型1电容器被串联连接在第一和第二节点之间，以便将最大电压电平分摊到各个电容器上。如上所述，电压分摊如下：

V＝V1+V2

其中，V是叠层电容器构造中跨越第一和第二节点的最大电压，V1是跨越第一电容器的电压，而V2是跨越第二电容器的电压。在一个实施方案中，第一和第二电容器具有相同的电容，故V1＝V2。

此方法然后从方框925进行到方框929。在方框929处，为了防止集成电路从高功率状态(例如激活、满功率、工作等)转变到低功率状态(例如关断、断电、待机等)时可能出现的瞬时应力，串联连接的第一和第二电容器之间的中间节点被设定为足以降低集成电路转变到低功率状态时的瞬时应力的控制电压电平。当电路处于高功率状态(例如激活)时，中间节点从控制电压电平断开即隔离。在一个实施方案中，如上所述，诸如开关晶体管之类的控制器件可以被用来根据集成电路的特定功率状态而将中间节点连接到控制电压电平或将中间节点从控制电压电平断开。方法900然后在方框991进行到终止。

图10示出了用来平衡充电泵电路中系统各个性能要求(例如输出电压要求)与系统限制(例如电容器的管芯面积限制和应力限制)的方法1000的流程图。此实施方案中的充电泵电路包括串联连接的多个泵级。各个泵级包括输入节点和输出节点。各级的输出节点被耦合到下一级的输入节点。第一泵级的输入节点被耦合到电源以接收输入电压。末级的输出节点被耦合到需要高于电源所提供的电压电平的器件(例如闪速存储器件)。为了解释和说明的目的，再次假设有二种不同类型的电容器(例如类型1和类型2)可用作充电泵电路中的存储和引导节点电容器。在此实施方案中，假设类型2电容器能够承受的应力大于类型1电容器能够承受的，但其管芯面积比类型1电容器的大。在一个实施方案中，类型1电容器是ONO电容器，而类型2电容器是MOS电容器。MOS电容器能够比ONO电容器承受更大的应力。但MOS电容器占据更大的管芯面积。此方法1000从方框1001开始，并进行到方框1005。在方框1005处，确定充电泵电路中各个泵级输出节点处的电压电平。在判定方框1009处，若各个输出节点处的输出电压电平不超过单个类型1(例如ONO)电容器的应力限度即击穿电压电平，则方法1000进行到方框1013。否则，方法1000进行到判定方框1017。在方框1013处，由于能够承受应力，故单个类型1(ONO)电容器被用作存储电容器。单个类型1(ONO)电容器还被用作引导节点电容器。在判定方框1017处，若各个输出节点处的输出电压不超过单个类型2电容器(例如MOS电容器)的应力限度，则方法1000进行到方框1021。否则，方法1000进行到方框1023。在方框1021处，单个类型2电容器(例如MOS电容器)被用作存储电容器，且单个类型2电容器还被用作各个泵级中的引导节点电容器。在方框1023处，由于各个输出节点处的输出电压超过单个类型1电容器和单个类型2电容器二者的应力限度，故需要包括二个或更多个串联连接的电容器的叠层电容器构造来降低各个单个电容器上的电压。在此实施方案中，由于类型1电容器的管芯面积比类型2电容器的小，故使用了采用类型1电容器的叠层电容器构造。叠层构造中待要串联连接的类型1电容器的数目，取决于各个输出节点处的最大电压电平。在此例子中，假设二个串联连接的电容器足够。在一个实施方案中，串联连接的电容器具有相同的电容，从而将电压相等地分摊到各个电容器上。此方法然后从方框1023进行到方框1025。在方框1025处，为了防止充电泵电路从一种功率状态(例如满功率、工作等)转变到另一种功率状态(例如关断、断电、待机等)时可能出现的瞬时应力，串联连接的第一和第二电容器之间的中间节点被设定为足以降低集成电路从高功率状态转变到低功率状态时的瞬时应力的控制电压电平。在一个实施方案中，如上所述，当充电泵电路变到正电压电平(例如+11V)而被关断然后被初始化到适当的电压电平例如+5V时，充电泵电路中的至少末级的输出节点能够从负电压电平(例如-15V)变化。当出现这一转变时，总电压范围即瞬时应力为26V，即使在叠层构造中，也超过各个电容器的应力限度。为了防止这一瞬时应力，如上所述，串联连接的二个电容器之间的中间节点处的电压电平被动态控制。在判定方框1025处，若充电泵电路处于低功率状态(例如关断)，则方法1000进行到方框1029。否则，方法1000进行到方框1033。在方框1029处，中间节点被连接到足以将瞬时应力降低到低于电容器应力限度的控制电压电平。在方框1033处，中间节点从控制电压电平断开即隔离。在一个实施方案中，如上所述，诸如开关晶体管之类的控制器件可以被用来根据充电泵电路的目前状态(例如关断或工作)而将中间节点连接到控制电压电平或将中间节点从控制电压电平断开。方法1000然后在方框1091处进行到终止。

结合优选实施方案已经描述了本发明。对于本技术领域的熟练人员来说，根据上面的描述，各种变通、修正、改变和应用是显而易见的。

Claims (18)

1.一种控制耦合在集成电路第一节点与第二节点之间的电容器上的电压电平，使这些电容器上的电压电平不超过这些电容器的击穿电压限度的方法，当集成电路从第二功率状态转变到第一功率状态时，第一和第二节点之间的电压电平从第二电压电平变到第一电压电平，此方法包含：

将第一电容器与第二电容器串联连接在集成电路的第一和第二节点之间，形成第一和第二电容器之间的中间节点；以及

当集成电路处于第一功率状态时，将中间节点的电压电平设定为第三电压电平，使第一和中间节点之间的电压电平不超过第一电容器的击穿电压，且中间和第二节点之间的电压电平不超过第二电容器的击穿电压。

2.权利要求1的方法，其中的第一功率状态对应于低功率状态，而第二功率状态对应于高功率状态。

3.权利要求1的方法，其中设定中间节点的电压电平包含：

响应于表明集成电路处于第一功率状态的控制信号，将中间节点连接到对应于第三电压电平的电压源。

4.权利要求3的方法，还包含：

响应于表明集成电路处于第二功率状态的控制信号，将中间节点从电压源断开。

5.权利要求4的方法，其中若集成电路处于第一功率状态，则控制信号被设定为第一数值，而若集成电路处于第二功率状态，则控制信号被设定为第二数值。

6.权利要求4的方法，其中将中间节点连接到电压源包含：

开通开关器件，以便将中间节点连接到电压源。

7.权利要求6的方法，其中将中间节点从电压源断开包含：

关断开关器件，以便将中间节点从电压源断开。

8.权利要求7的方法，其中的开关器件包含晶体管。

9.权利要求1的方法，其中的第一和第二电容器选自氧化物-氮化物-氧化物(ONO)电容器和金属-氧化物-半导体(MOS)电容器。

10.权利要求1的方法，其中第一电容器的电容大致等于第二电容器的电容。

11.权利要求1的方法，其中当集成电路处于第一功率状态时，中间节点处的第三电压电平对应于第一节点处的电压电平。

12.权利要求11的方法，其中当集成电路处于第一功率状态时，中间节点通过开关器件被连接到第一节点。

13.权利要求12的方法，其中当集成电路处于第二功率状态时，中间节点通过开关器件从第一节点被断开。

14.权利要求13的方法，其中响应于表明集成电路处于第一功率状态的控制信号，开关器件被开通，并响应于表明集成电路处于第二功率状态的控制信号，开关器件被关断。

15.权利要求14的方法，其中的开关器件包含晶体管。

16.在具有多个串联连接的泵级的充电泵中，至少一个泵级包括至少一个待要经由电容性器件耦合到相应的时钟信号的节点，当充电泵处于第一功率状态时，此至少一个节点具有第一电压，而当充电泵处于第二功率状态时，具有第二电压，在此至少一个节点处平衡电压要求与电容性器件的应力限度和管芯面积的方法，此方法包含：

若第一电压和第二电压不超过第一类型的单个电容器的应力限度，则采用第一类型的单个电容器作为此至少一个节点与相应的时钟信号之间的电容性器件；

若第二电压超过第一类型的单个电容器的应力限度，则若第一电压和第二电压不超过第二类型的单个电容器的应力限度时，采用第二类型的单个电容器作为此至少一个节点与相应的时钟信号之间的电容性器件，此第二类型的单个电容器具有比第一类型的单个电容器更大的应力限度和更大的管芯面积；以及

若第二电压超过第二类型的单个电容器的应力限度，则若第一电压和第二电压不超过二个第一类型的电容器的组合应力限度时，采用二个串联连接的第一类型电容器作为此至少一个节点与相应的时钟信号之间的电容性器件。

17.一种充电泵电路，它包括串联连接的各具有一个输入节点和一个输出节点的多个泵级，至少一个泵级包含：

具有栅、第一端和第二端的开关晶体管，第一端被耦合到各个泵级的输入节点，而第二端被耦合到各个泵级的输出节点；

具有第一端和第二端的第一电容器，第一电容器的第一端被耦合到开关晶体管的栅；

具有第一端和第二端的第二电容器，第二电容器的第一端被耦合到第一电容器的第二端，形成第一中间节点，第二电容器的第二端被耦合到第一时钟信号；

具有第一端和第二端的第三电容器，第三电容器的第一端被耦合到各个泵级的输出节点；以及

具有第一端和第二端的第四电容器，第四电容器的第一端被耦合到第三电容器的第一端，形成第二中间节点，第四电容器的第二端被耦合到第二时钟信号。

18.充电泵电路中的一种充电泵级，此充电泵级包含：

具有栅、第一端和第二端的第一开关晶体管，第一端被耦合到充电泵级的输入节点，第二端被耦合到充电泵级的输出节点；

串联连接在第一开关晶体管的栅与第一时钟信号之间的至少二个电容器，在二个电容器之间形成第一中间节点；

串联连接在输出节点与第二时钟信号之间的至少二个电容器，在二个电容器之间形成第二中间节点；以及

控制器件，以便当充电泵电路处于第一功率状态时，将第一和第二中间节点连接到第一电压源，而当充电泵电路处于第二功率状态时，将第一和第二中间节点从第一电压源断开。

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